University of Chicago fysiker har uppfunnit en "kvantflöjt" som, precis som Pied Piper, kan tvinga ljuspartiklar att röra sig tillsammans på ett sätt som aldrig har setts förut.

Beskrivs i två studier publicerade i Physical Review Letters och Naturfysik , kan genombrottet visa vägen mot att realisera kvantminnen eller nya former av felkorrigering i kvantdatorer, och observera kvantfenomen som inte kan ses i naturen.

Assoc. Prof. David Schusters labb arbetar med kvantbitar – kvantmotsvarigheten till en datorbit – som utnyttjar partiklarnas konstiga egenskaper på atomär och subatomär nivå för att göra saker som annars är omöjliga. I det här experimentet arbetade de med ljuspartiklar, kända som fotoner, i mikrovågsspektrat.

Systemet de utarbetade består av en lång kavitet gjord i ett enda metallblock, designat för att fånga fotoner vid mikrovågsfrekvenser. Kaviteten är gjord genom att borra förskjutna hål – som hål i en räfflor.

"Precis som i musikinstrumentet," sa Schuster, "kan du skicka en eller flera våglängder av fotoner över det hela, och varje våglängd skapar en "not" som kan användas för att koda kvantinformation." Forskarna kan sedan kontrollera interaktionerna mellan "noterna" med hjälp av en master-kvantbit, en supraledande elektrisk krets.

Men deras konstigaste upptäckt var hur fotonerna betedde sig tillsammans.

I naturen interagerar fotoner nästan aldrig - de passerar helt enkelt genom varandra. Med noggranna förberedelser kan forskare ibland få två fotoner att reagera på varandras närvaro.

"Här gör vi något ännu konstigare," sa Schuster. "Först interagerar inte fotonerna alls, men när den totala energin i systemet når en tipppunkt pratar de helt plötsligt med varandra."

Att ha så många fotoner som "pratar" med varandra i ett labbexperiment är extremt konstigt, som att se en katt gå på bakbenen.

"Normalt är de flesta partikelinteraktioner en-till-en - två partiklar som studsar eller attraherar varandra," sa Schuster. "Om du lägger till en tredje, interagerar de vanligtvis fortfarande sekventiellt med den ena eller den andra. Men det här systemet har alla att interagera samtidigt."

Deras experiment testade bara upp till fem "lappar" åt gången, men forskarna kunde så småningom föreställa sig att köra hundratals eller tusentals anteckningar genom en enda qubit för att kontrollera dem. Med en operation så komplex som en kvantdator vill ingenjörer förenkla överallt de kan, sa Schuster:"Om du ville bygga en kvantdator med 1 000 bitar och du kunde kontrollera dem alla genom en enda bit, skulle det vara otroligt värdefullt ."

Forskarna är också exalterade över själva beteendet. Ingen har observerat något liknande dessa interaktioner i naturen, så forskarna hoppas också att upptäckten kan vara användbar för att simulera komplexa fysiska fenomen som inte ens kan ses här på jorden, inklusive kanske till och med en del av fysiken i svarta hål.

Utöver det är experimenten bara roliga.

"Normalt sker kvantinteraktioner över längd och tidsskalor som är för små eller snabba för att ses. I vårt system kan vi mäta enstaka fotoner i vilken som helst av våra anteckningar och se effekten av interaktionen när den sker. Det är egentligen ganska snyggt att " se en kvantinteraktion med ditt öga, säger UChicago postdoktorala forskaren Srivatsan Chakram, den första författaren på tidningen, nu biträdande professor vid Rutgers University. + Utforska vidare

Tvillingfotoner från olika kvantpunkter