När atomer kommer extremt nära, de utvecklar spännande interaktioner som kan utnyttjas för att skapa nya generationer av datorteknik och annan teknik. Dessa interaktioner inom kvantfysikens område har visat sig vara svåra att studera experimentellt på grund av de grundläggande begränsningarna hos optiska mikroskop.

Nu är ett team av Princeton-forskare, ledd av Jeff Thompson, en biträdande professor i elektroteknik, har utvecklat ett nytt sätt att kontrollera och mäta atomer som är så nära varandra att ingen optisk lins kan urskilja dem.

Beskrivs i en artikel publicerad 30 oktober i tidskriften Vetenskap , deras metod exciterar tätt belägna erbiumatomer i en kristall med hjälp av en finjusterad laser i en optisk krets i nanometerskala. Forskarna utnyttjar det faktum att varje atom svarar på lite olika frekvenser, eller färger, av laserljus, tillåta forskarna att lösa och kontrollera flera atomer, utan att förlita sig på deras rumsliga information.

I ett vanligt mikroskop, utrymmet mellan två atomer försvinner effektivt när deras separation är under ett nyckelavstånd som kallas diffraktionsgränsen, vilket är ungefär lika med ljusets våglängd. Detta är analogt med två avlägsna stjärnor som visas som en enda ljuspunkt på natthimlen. Dock, detta är också den skala i vilken atomer börjar interagera och ger upphov till ett rikt och intressant kvantmekaniskt beteende.

"Vi undrar alltid, på den mest grundläggande nivån - inuti fasta ämnen, inuti kristaller – vad gör atomer egentligen? Hur interagerar de?" sa fysikern Andrei Faraon, en professor vid California Institute of Technology som inte var inblandad i forskningen. "Detta [papper] öppnar fönstret för att studera atomer som finns i mycket, mycket nära."

Att studera atomer och deras interaktioner på små avstånd gör det möjligt för forskare att utforska och kontrollera en kvantegenskap som kallas spinn. Som en form av fart, spin beskrivs vanligtvis som antingen upp eller ner (eller både och, men det är en annan historia). När avståndet mellan två atomer blir försvinnande litet – bara miljarddelar av en meter – utövar spinn av den ena inflytande över den andras spinn, och vice versa. När snurr interagerar i denna värld, de kan trassla in sig, en term som forskare använder för att beskriva två eller flera partiklar som är oupplösligt sammanlänkade. Intrasslade partiklar beter sig som om de delar en existens, oavsett hur långt ifrån varandra de senare blir. Entanglement är det väsentliga fenomenet som skiljer kvantmekaniken från den klassiska världen, och det är i centrum för visionen för kvantteknik. Den nya Princeton-enheten är ett språngbräde för forskare att studera dessa spin-interaktioner med oöverträffad tydlighet.

En viktig egenskap hos den nya Princeton-enheten är dess potential att hantera hundratals atomer samtidigt, tillhandahålla ett rikt kvantlaboratorium där empirisk data kan samlas in. Det är en välsignelse för fysiker som hoppas kunna låsa upp verklighetens djupaste mysterier, inklusive förvecklingens spöklika natur.

Sådana undersökningar är inte bara esoteriska. Under de senaste tre decennierna, ingenjörer har försökt använda kvantfenomen för att skapa komplexa teknologier för informationsbehandling och kommunikation, från de logiska byggstenarna i framväxande kvantdatorer, kan lösa annars omöjliga problem, till ultrasäkra kommunikationsmetoder som kan länka maskiner till ett okackbart kvantinternet. För att vidareutveckla dessa system, forskare kommer att behöva trassla in partiklar på ett tillförlitligt sätt och utnyttja deras intrassling för att koda och bearbeta information.

Thompsons lag såg en möjlighet i erbium. Traditionellt används i laser och magneter, erbium var inte allmänt utforskat för användning i kvantsystem eftersom det är svårt att observera, enligt forskarna. Teamet fick ett genombrott 2018, utveckla ett sätt att förbättra ljuset som emitteras av dessa atomer, och att upptäcka den signalen extremt effektivt. Nu har de visat att de kan göra allt en masse.

När lasern lyser upp atomerna, det exciterar dem precis tillräckligt för att de ska avge ett svagt ljus med en unik frekvens, men noggrant nog att bevara och läsa ut atomernas snurr. Dessa frekvenser förändras så subtilt beroende på atomernas olika tillstånd, så att "upp" har en frekvens och "ner" har en annan, och varje enskild atom har sitt eget frekvenspar.

"Om du har en ensemble av dessa qubits, de avger alla ljus med väldigt lite olika frekvenser. Och så genom att ställa in lasern noggrant till frekvensen för den ena eller frekvensen för den andra, vi kan ta itu med dem, även om vi inte har någon förmåga att rumsligt lösa dem, ", sa Thompson. "Varje atom ser allt ljus, men de lyssnar bara på den frekvens de är inställda på."

Ljusets frekvens är då en perfekt proxy för snurret. Att växla snurrarna upp och ner ger forskare ett sätt att göra beräkningar. Det är besläktat med transistorer som antingen är på eller av i en klassisk dator, ger upphov till nollorna och ettorna i vår digitala värld.

För att utgöra grunden för en användbar kvantprocessor, dessa qubits kommer att behöva gå ett steg längre.

"Styrkan i interaktionen är relaterad till avståndet mellan de två snurren, sa Songtao Chen, en postdoktor i Thompsons labb och en av tidningens två huvudförfattare. "Vi vill göra dem nära så att vi kan ha denna ömsesidiga interaktion, och använd denna interaktion för att skapa en kvantlogikgrind."

En kvantlogisk gate kräver två eller flera intrasslade qubits, gör den kapabel att utföra unika kvantoperationer, som att beräkna proteiners veckningsmönster eller dirigera information på kvantinternet.

Thompson, som innehar en ledande position vid det amerikanska energidepartementets nya kvantvetenskapsinitiativ på 115 miljoner dollar, är på ett uppdrag att få dessa qubits till krängning. Inom materialinriktningen för Co-Design Center for Quantum Advantage, han leder underavdelningarna för datorer och nätverk.

Hans erbiumsystem, en ny typ av qubit som är särskilt användbar i nätverksapplikationer, kan arbeta med den befintliga telekommunikationsinfrastrukturen, sänder signaler i form av kodat ljus över silikonenheter och optiska fibrer. Dessa två egenskaper ger erbium en industriell fördel gentemot dagens mest avancerade solid-state qubits, som överför information genom våglängder för synligt ljus som inte fungerar bra med optiska fiberkommunikationsnätverk.

Fortfarande, att verka i stor skala, erbiumsystemet kommer att behöva konstrueras ytterligare.

Medan laget kan kontrollera och mäta spinntillståndet för sina qubits oavsett hur nära de kommer, och använda optiska strukturer för att producera högfientlig mätning, de kan ännu inte ordna qubits som behövs för att bilda två-qubit-grindar. Att göra det, ingenjörer kommer att behöva hitta ett annat material för att vara värd för erbiumatomerna. Studien utformades med denna framtida förbättring i åtanke.

"En av de stora fördelarna med hur vi har gjort det här experimentet är att det inte har något att göra med vilken värd erbiumet sitter i, " sa Mouktik Raha, en sjätteårs doktorand i elektroteknik och en av tidningens två huvudförfattare. "Så länge du kan lägga erbium i det och det inte skakar runt, du är bra att gå."