Quantum computing kan lösa problem som är svåra för traditionella datorsystem. Det kan verka som magi. Ett steg mot att uppnå kvantberäkning liknar till och med ett trollkarls trick:levitation. Ett nytt projekt vid US Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility kommer att försöka detta trick genom att sväva en mikroskopisk partikel i en supraledande radiofrekvens (SRF) för att observera kvantfenomen.

Vanligtvis vid Jefferson Lab och andra partikelacceleratoranläggningar, SRF -håligheter möjliggör studier av atomkärnan. De gör detta genom att accelerera subatomära partiklar, som elektroner. Detta projekt kommer att använda samma typ av hålighet för att istället sväva en mikroskopisk metallpartikel, mellan 1 och 100 mikrometer i diameter, med hålighetens elektriska fält.

"Ingen har avsiktligt suspenderat en partikel i ett elektriskt fält i ett vakuum med hjälp av SRF -håligheter, "sa Drew Weisenberger, en huvudutredare om detta projekt, samt teknologichef och chef för gruppen för strålningsdetektor och bildbehandling i avdelningen för experimentell kärnfysik vid Jefferson Lab.

Om projektteamet kan sväva en partikel, de kan då kunna ge ett kvanttillstånd på det genom att kyla den instängda partikeln till dess lägsta möjliga energinivå (eftersom det är då kvantegenskaper uppstår).

"Att lagra kvantinformation på en leviterad nanopartikel är vårt yttersta mål, men för nu, det är ett bevis på princip experiment, "sa Pashupati Dhakal, en annan huvudutredare om projektet och en personalvetare vid Jefferson Lab i Accelerator Operations, Forsknings- och utvecklingsavdelningen. "Vi vill veta om vi kan fånga och sväva partiklar inuti hålrummet med hjälp av det elektriska fältet."

Utforska kvanten med acceleratorhålor

Idén till detta projekt kom från observationer från acceleratorsexperter. De tror att de redan oavsiktligt har leviterat oönskade och sällsynta nanopartiklar av metall, såsom niob och järn, inuti SRF -håligheter under partikelacceleratoroperationer. De misstänker att denna oavsiktliga svävning har påverkat prestandan hos SRF -hålighetskomponenter.

Forskare försöker använda en flera decennier gammal teknik som kallas "laserfångning, "som ett steg mot att på ett tillförlitligt sätt ge ett kvanttillstånd på en partikel som är upphängd i en laserstråle. Men, Jefferson Lab -projektteamet tror att SRF -håligheter kan ge ett bättre verktyg för dessa forskare.

"Ett elektriskt fält kan gå potentiellt längre än laserfångningens möjligheter, "Sa Weisenberger.

Inre egenskaper hos SRF -håligheter kommer att övervinna vissa gränser för laserfångning. En svävande partikel i ett SRF -hålrum som är under vakuum och kyls till superkalla temperaturer kommer bara att interagera med hålighetens elektriska fält och inte förlora information till utsidan, vilket är viktigt för att upprätthålla ett kvanttillstånd.

"Som att lagra information på ett datorchip, kvanttillståndet kommer att stanna och inte försvinna, "Sade Weisenberger." Och det kan så småningom leda till applikationer inom kvantberäkning och kvantkommunikation. "

Det här projektet, med titeln "SRF Levitation and Trapping of Nanoparticles Experiment, "finansieras av programmet Laboratory Directed Research &Development, som ger resurser för Jefferson Lab -personal att snabbt och betydande bidrag till kritiska vetenskapliga och tekniska problem som är relevanta för Jefferson Labs och DOE:s uppdrag.

Ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt

Projektet tänktes och lanserades av Rongli Geng i oktober 2020 innan han övergick till Oak Ridge National Laboratory. Det har nu övergått till ett större och mer tvärvetenskapligt team som leds av Weisenberger och Dhakal, de nuvarande medhuvudutredarna.

Weisenbergers team forskar om detektorteknologi för kärnfysisk forskning, Dhakals arbete fokuserar på att utveckla SRF -hålrum för att accelerera elektroner vid höga hastigheter. Weisenberger säger att det tvärvetenskapliga tillvägagångssättet kommer att sammanföra deras expertis när de förgrenar sig till det mindre välbekanta territoriet för detta LDRD -projekt.

Båda huvudutredarna konstaterar att projektet går bra framåt, tack vare den flit och expertis som varje medlem i teamet tillhandahåller. Teammedlemmar inkluderar John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross och Jack McKisson.

"Det är ett intressant steg utanför de vanliga sakerna vi gör, "Weisenberger sa." LDRD -programmet släpper forskare och ingenjörer från Jefferson Lab om en forskningsfråga som inte är direkt relaterad till vad vi faktiskt anlitas för att göra, men använder sig av all expertis som vi tar med oss ​​och det är en bra resurs att trycka på för att försöka sträcka ut. Det är vad vi gör med det här projektet, stretching."

Bygga och testa

Innan projektet vände på Weisenberger och Dhakal, Geng och hans kollegor hade bestämt de nödvändiga parametrarna för kaviteten och det elektriska fältet med simuleringar och beräkningar.

"Vi har allt på papper men vi måste göra det till verklighet, "Sa Dhakal.

Teamet håller just nu på att sätta upp experimentet i verkliga livet.

"Vi måste se om det som simulerades verkligen kan hända, "Sa Weisenberger.

Först, de kommer att montera en mock-up av experimentet vid rumstemperatur. Sedan, de kommer att cirkulera flytande helium runt de yttre ytorna i hålrummet för att kyla det till supraledande temperaturer som närmar sig absolut noll.

Därefter kommer den svåraste delen. De måste få en enda mikroskopisk partikel i det korrekta området i kaviteten medan hålrummet är låst inuti ett inneslutningskärl vid supraledande temperaturer, under vakuum, och med det elektriska fältet på.

"Vi har kommit på ett sätt att fjärrstarta en partikel i hålrummet under experimentella förhållanden, vi måste bara testa det nu, "Sade Weisenberger." I forsknings- och utvecklingsvärlden, man kan ofta inte göra det man trodde man kunde göra. Vi försöker testa och stöter på problem, försöka lösa problemen, och fortsätt. "

Detta är ett år långt projekt med möjlighet till ytterligare ett års finansiering, beroende på hur det går. Det är också ett tidigt skede, bevis på principprojekt. Om det i slutändan är framgångsrikt, det skulle fortfarande vara en lång väg för FoU innan begreppen skulle kunna tillämpas på att bygga kvantdatorer. Sådana datorer skulle kräva svävande och överförande av kvanttillstånd på tiotals till hundratals till tusentals mycket mindre partiklar förutsägbart och pålitligt.

Fortfarande, forskarna ser fram emot upptäckterna som de hoppas att denna studie kommer att möjliggöra när det gäller mikroskopisk partikellevitation och potentiell observation av ett kvanttillstånd.

"Jag är optimistisk, "Sa Dhakal." Hur som helst, vi kommer att upptäcka något. Misslyckande är lika mycket en del av FoU som framgång. Man lär sig av båda. I grund och botten, om partikeln svävar eller inte, eller om vi kan ge det kvanttillståndet eller inte, det är något som aldrig har gjorts förut. Det är väldigt utmanande och spännande. "