Şema, biraz farklı dalga boylarına sahip iki lazer ışınının, bir atom çekirdeğini çevreleyen elektrik alanlarını nasıl etkileyebileceğini ve çekirdeğin dönüşünü belirli bir yönde itecek şekilde bu alanı nasıl itebileceğini gösteriyor: okla gösterilir. Kredi bilgileri: Haowei Xu, Ju Li ve Paola Cappellaro, et. al
Araştırmacılar, lazer kullanarak kuantum bilgilerini depolayabilen çekirdeklerin dönme özelliğini kontrol etmenin bir yolunu keşfettiler.
Bilgisayarlar ve sensörler dahil olmak üzere kuantum tabanlı cihazlar, Geleneksel dijital teknolojilerden çok daha iyi performans göstererek karmaşık görevleri yerine getirme şeklimizde devrim yaratma potansiyeli. Ancak, teknoloji şirketleri, akademik kurumlar ve devlet laboratuvarlarının yaptığı önemli yatırımlara rağmen, pratik kuantum tabanlı cihazların geliştirilmesi önemli bir zorluk olmaya devam ediyor.
Bugün mevcut olan en büyük kuantum bilgisayarlar yalnızca birkaç yüz “kübit” ile donatılmıştır. ,” dijital bitlerin kuantum eşdeğerleri.
Şimdi, MIT’deki araştırmacılar, kübitler yapmak ve veri okumak ve yazmak için onları kontrol etmek için yeni bir yaklaşım önerdiler. Bu aşamada teorik olan yöntem, biraz farklı renklerde iki lazerden gelen ışık huzmeleri kullanılarak atom çekirdeğinin dönüşlerinin ölçülmesine ve kontrol edilmesine dayanmaktadır. Bulgular, Physical Review X dergisinde yayınlanan ve MIT doktora öğrencisi Haowei Xu, profesörler Ju Li ve Paola Cappellaro ve diğer dört kişi tarafından yazılan bir makalede açıklanmaktadır.
Nükleer spinler uzun süredir potansiyel yapı taşları olarak kabul edilmektedir. kuantum tabanlı bilgi işleme ve iletişim sistemleri için ve gizli paketler veya elektromanyetik radyasyonun “kuantumu” olan temel parçacıklar olan fotonlar da öyle. Ancak bu iki kuantum nesnesini birlikte çalışmaya ikna etmek zordu çünkü atom çekirdekleri ve fotonlar çok az etkileşime giriyor ve doğal frekansları altı ila dokuz büyüklük sırası arasında farklılık gösteriyor.
MIT ekibi tarafından geliştirilen yeni süreçte, fark gelen bir lazer ışınının frekansı, nükleer dönüşün geçiş frekanslarıyla eşleşir ve nükleer dönüşü belirli bir yöne doğru iter.
“Nükleer dönüşleri optik fotonlarla arayüzlemenin yeni ve güçlü bir yolunu bulduk. lazerler,” diyor nükleer bilim ve mühendislik profesörü Cappellaro. “Bu yeni bağlantı mekanizması, bunların kontrol ve ölçümünü mümkün kılıyor ve bu da artık nükleer spinleri kübitler olarak kullanmayı çok daha umut verici bir çaba haline getiriyor.”
Araştırmacılar, sürecin tamamen ayarlanabilir olduğunu söylüyor. Örneğin, lazerlerden biri mevcut telekomünikasyon sistemlerinin frekanslarına uyacak şekilde ayarlanabilir ve böylece uzun mesafeli kuantum iletişimini mümkün kılmak için nükleer spinleri kuantum tekrarlayıcılara dönüştürür.
Nükleer etkiyi etkilemek için ışığı kullanmaya yönelik önceki girişimler spinler dolaylıydı, bunun yerine o çekirdeği çevreleyen elektron spinleriyle birleşiyordu, bu da manyetik etkileşimler olsa da çekirdeği etkileyecekti. Ancak bu, yakınlarda eşleşmemiş elektron spinlerinin varlığını gerektirir ve nükleer spinlerde ek gürültüye yol açar. Yeni yaklaşım için araştırmacılar, birçok çekirdeğin, çevre ile elektriksel bir nükleer dört kutuplu etkileşime yol açan bir elektrik dört kutbuna sahip olduğu gerçeğinden yararlandı. Bu etkileşim, çekirdeğin durumunu değiştirmek için ışıktan etkilenebilir.
Li, “Nükleer spin genellikle oldukça zayıf bir etkileşim içindedir” diyor. “Fakat bazı çekirdeklerin bir elektrik kuadrupole sahip olduğu gerçeğini kullanarak, herhangi bir ara elektron dönüşü olmadan doğrudan nükleer dönüşe bağlanan bu ikinci dereceden, doğrusal olmayan optik etkiyi indükleyebiliriz. Bu, nükleer dönüşü doğrudan manipüle etmemize olanak tanır.”
Diğer şeylerin yanı sıra, bu, malzemelerin izotoplarının kesin olarak tanımlanmasına ve hatta haritalandırılmasına olanak sağlarken, benzer fiziğe dayalı köklü bir yöntem olan Raman spektroskopisi, malzemenin kimyasını ve yapısını tanımlar, ancak izotopları tanımlamaz. Araştırmacılara göre bu yeteneğin birçok uygulaması olabilir.
Kuantum belleğe gelince, şu anda kuantum hesaplama için kullanılan veya düşünülen tipik cihazların tutarlılık süreleri vardır; bu, depolanan bilgilerin güvenilir bir şekilde bozulmadan tutulabileceği süre anlamına gelir. saniyenin küçük kesirlerinde ölçülme eğilimindedir. Ancak nükleer döndürme sisteminde, kuantum tutarlılık süreleri saat cinsinden ölçülür.
Optik fotonlar, fiber optik ağlar aracılığıyla uzun mesafeli iletişim için kullanıldığından, bu fotonları doğrudan kuantum belleğe veya algılamaya bağlama yeteneği Ekip, cihazların yeni iletişim sistemlerinde önemli faydalar sağlayabileceğini söylüyor. Ek olarak, etki, bir dalga boyu setini diğerine çevirmenin verimli bir yolunu sağlamak için kullanılabilir. Xu, “Mikrodalga fotonların ve optik fotonların iletimi için nükleer dönüşleri kullanmayı düşünüyoruz” diyor ve bunun, bu çeviri için diğer yöntemlerden daha fazla doğruluk sağlayabileceğini ekliyor.
Şimdiye kadar, çalışma teorik, bu nedenle bir sonraki adım, konsepti gerçek laboratuvar cihazlarında, muhtemelen her şeyden önce bir spektroskopik sistemde uygulamaktır. Xu, “Bu, ilke kanıtı deneyi için iyi bir aday olabilir” diyor. Bundan sonra, bellek veya transdüksiyon efektleri gibi kuantum cihazlarıyla uğraşacaklarını söylüyor.
Referans: “Optonükleer Dört Kutuplu Etkiye Dayalı Nükleer Spinlerin İki-Photon Arayüzü”, Haowei Xu, Changhao Li, Guoqing Wang , Hua Wang, Hao Tang, Ariel Rebekah Barr, Paola Cappellaro ve Ju Li, 14 Şubat 2023, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011017