能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究，這將導(dǎo)致對汞量子系統(tǒng)和材料的更多控制。他們的研究將推動量子計算，傳感，仿真和材料開發(fā)的進(jìn)步。

研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最近發(fā)表在Physical Review B Rapid Communication and Optics Letters上。

量子信息被認(rèn)為是脆弱的，因?yàn)樗诰幋a的系統(tǒng)與其環(huán)境相互作用時會丟失，這個過程稱為耗散。ORNL的計算和計算科學(xué)與物理科學(xué)理事會和范德比爾特大學(xué)的科學(xué)家們合作開發(fā)了一些方法，幫助他們控制或驅(qū)動量子系統(tǒng)固有的“泄漏”耗散行為。

“我們的目標(biāo)是開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺，使我們能夠探測和控制材料中的量子相干動力學(xué)，”ORNL量子信息科學(xué)小組量子傳感團(tuán)隊的研究科學(xué)家Benjamin Lawrie說。“要做到這一點(diǎn)，你通常必須能夠理解納米級的情況。”

從量子信息科學(xué)，納米科學(xué)和電子顯微鏡的角度來看，科學(xué)家利用現(xiàn)有的物質(zhì)知識和光與聲的物理學(xué)來研究納米結(jié)構(gòu)的量子性質(zhì) - 這種結(jié)構(gòu)的測量值約為十億分之一米。

一個項目專注于用等離子體激發(fā)納米金剛石中的氮空位中心缺陷。當(dāng)?shù)哟娴湫偷奶荚有纬桑c無原子空位相鄰時，產(chǎn)生天然存在的缺陷。正在研究這些缺陷以用于糾纏測試，這種狀態(tài)將允許在量子系統(tǒng)中編碼比用經(jīng)典計算實(shí)現(xiàn)的信息更多的信息。

電子產(chǎn)生電場。當(dāng)電子束被施加到材料上時，材料的電子被激勵運(yùn)動 - 一種稱為激發(fā)的狀態(tài) - 產(chǎn)生可以被檢測為光的磁場。利用等離子體技術(shù)，可以輕松地與光耦合的電子激發(fā)，使科學(xué)家們能夠檢測納米尺度的電磁場。

通過國防科學(xué)與工程研究生獎學(xué)金項目和量子傳感團(tuán)隊成員，范德比爾特大學(xué)研究生馬爾德費(fèi)爾德曼使用高能電子束激發(fā)金剛石納米粒子中的氮空位中心，發(fā)光。然后，他使用了ORNL材料科學(xué)與技術(shù)部門所擁有的陰極發(fā)光顯微鏡，該部門測量輻射材料中的可見光譜發(fā)光，收集發(fā)射的光子并表征納米金剛石內(nèi)氮空位中心，等離子體和振動之間的高速相互作用。

在其他研究中，ORNL納米材料科學(xué)中心的博士后研究員Jordan Hachtel使用陰極發(fā)光顯微鏡激發(fā)金納米螺旋體中的等離子體。他探索了如何利用螺旋的幾何形狀將能量聚焦在納米級系統(tǒng)中。Andy Lupini作為顯微鏡顧問服務(wù)于該項目，提供有關(guān)設(shè)備優(yōu)化和故障排除的專業(yè)知識。

在ORNL量子信息科學(xué)小組的研究科學(xué)家Eugene Dumitrescu研究的模型中，需要精確控制納米級能量轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)長期糾纏。Dumitrescu的研究發(fā)表在2017年末的物理評論A中，表明費(fèi)爾德曼收集的光子統(tǒng)計數(shù)據(jù)可用于計算以顯示糾纏。

“這項工作推進(jìn)了我們對如何控制光物質(zhì)相互作用的認(rèn)識，提供了先前通過模擬描述的現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，”Lawrie說。

封閉系統(tǒng)，其中量子信息可以遠(yuǎn)離其周圍環(huán)境，理論上可以防止耗散，但現(xiàn)實(shí)世界的量子系統(tǒng)可能會受到導(dǎo)致信息泄漏的眾多影響。

“討論量子系統(tǒng)的房間里的大象是退相干，”費(fèi)爾德曼說。“如果我們能夠模擬環(huán)境來影響量子系統(tǒng)的工作方式，我們就可以實(shí)現(xiàn)糾纏。”

杜米特雷斯庫同意了。“我們知道量子系統(tǒng)將會泄漏。一種補(bǔ)救措施是驅(qū)動它們，”他說。“我們正在探索的驅(qū)動機(jī)制抵消了耗散的影響。”

Dumitrescu使用樂器的類比來解釋研究人員控制量子系統(tǒng)的嘗試。“如果你拔出一把小提琴弦，就能聽到聲音，但它開始通過環(huán)境，空氣消散，”他說。“但是，如果你慢慢地將琴弦拉過琴弦，你會得到更穩(wěn)定，更持久的聲音。你已經(jīng)控制了系統(tǒng)。”

費(fèi)爾德曼認(rèn)為這對于量子物理學(xué)家來說是非常迷人的時代，因?yàn)榱孔佑嬎泐I(lǐng)域與20世紀(jì)中期的經(jīng)典計算處于同一階段。“最令我興奮的是當(dāng)前的研究如何改變我們對量子系統(tǒng)和材料的理解，”他說。