Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están llevando a cabo una investigación física fundamental que conducirá a un mayor control sobre los sistemas y materiales cuánticos mercuriales. Sus estudios permitirán avances en computación cuántica, detección, simulación y desarrollo de materiales.
Los resultados experimentales de los investigadores se publicaron recientemente en Revisión física B Comunicación rápida y Cartas ópticas .
La información cuántica se considera frágil porque puede perderse cuando el sistema en el que está codificado interactúa con su entorno, un proceso llamado disipación. Los científicos de las direcciones de Ciencias de la Computación y Computación y Ciencias Físicas de ORNL y la Universidad de Vanderbilt han colaborado para desarrollar métodos quelos ayudará a controlar, o conducir, el comportamiento disipativo "permeable" inherente a los sistemas cuánticos.
"Nuestro objetivo es desarrollar plataformas experimentales que nos permitan sondear y controlar dinámicas cuánticas coherentes en los materiales", dijo Benjamin Lawrie, científico investigador del Equipo de detección cuántica en el Grupo de Ciencias de la Información Cuántica de ORNL. "Para hacer eso, a menudotiene que ser capaz de entender lo que está sucediendo a nanoescala "
Trayendo perspectivas de la ciencia de la información cuántica, la nanociencia y la microscopía electrónica, los científicos explotan el conocimiento existente de la materia y la física de la luz y el sonido para examinar la naturaleza cuántica de las nanoestructuras, estructuras que miden aproximadamente una milmillonésima parte de un metro.
Un proyecto se centró en generar defectos en el centro de vacantes de nitrógeno en nanodiamantes con plasmones. Los defectos naturales se crean cuando se forma un átomo de nitrógeno en lugar del átomo de carbono típico, adyacente a una vacante sin átomos. Los defectos se están investigando para su uso en pruebasde enredo, un estado que permitirá que se codifique sustancialmente más información en un sistema cuántico que la que se puede lograr con la informática clásica.
Los electrones generan un campo eléctrico. Cuando se aplica un haz de electrones a un material, los electrones del material se estimulan al movimiento, un estado llamado excitación, creando un campo magnético que luego se puede detectar como luz. Trabajando con plasmones, electronesLas excitaciones que se acoplan fácilmente con la luz permiten a los científicos examinar campos electromagnéticos a nanoescala.
Matthew Feldman, un estudiante graduado de la Universidad de Vanderbilt que realiza investigación doctoral en ORNL a través del programa de becas de posgrado de Ciencia e Ingeniería de la Defensa Nacional y miembro del Equipo de detección cuántica, usó un haz de electrones de alta energía para excitar centros de vacantes de nitrógeno en nanopartículas de diamante,causando que emitieran luz. Luego usó un microscopio de catodoluminiscencia propiedad de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL, que mide la luminiscencia del espectro visible en materiales irradiados, para recolectar los fotones emitidos y caracterizar interacciones de alta velocidad entre centros de vacantes de nitrógeno, plasmones yvibraciones dentro del nanodiamante.
En otra investigación, Jordan Hachtel, becario postdoctoral del Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase de ORNL, usó el microscopio de catodoluminiscencia para excitar plasmones en nanoespirales de oro. Exploró cómo se podía aprovechar la geometría de las espirales para enfocar la energía en sistemas a nanoescala. AndyLupini sirvió al proyecto como consultor de microscopía, proporcionando experiencia con respecto a la optimización del equipo y la resolución de problemas.
Se requiere un control preciso sobre la transferencia de energía a nanoescala para permitir un enredo prolongado en un modelo explorado por Eugene Dumitrescu, científico investigador del Grupo de Ciencias de la Información Cuántica de ORNL. La investigación de Dumitrescu, publicada en Physical Review A a fines de 2017, mostró que el fotónlas estadísticas recopiladas por Feldman podrían usarse en los cálculos para mostrar enredos.
"Este trabajo avanza nuestro conocimiento sobre cómo controlar las interacciones de la materia ligera, proporcionando pruebas experimentales de un fenómeno que previamente había sido descrito por simulaciones", dijo Lawrie.
Los sistemas cerrados, en los que la información cuántica se puede mantener alejada de su entorno, en teoría pueden evitar la disipación, pero los sistemas cuánticos del mundo real están abiertos a numerosas influencias que resultan en la fuga de información.
"El elefante en la sala en las discusiones sobre los sistemas cuánticos es la decoherencia", dijo Feldman. "Si podemos modelar un entorno para influir en el funcionamiento de un sistema cuántico, podemos permitir el enredo".
Dumitrescu estuvo de acuerdo. "Sabemos que los sistemas cuánticos tendrán fugas. Un remedio es conducirlos", dijo. "Los mecanismos impulsores que estamos explorando cancelan los efectos de la disipación".
Dumitrescu usó la analogía de un instrumento musical para explicar los intentos de los investigadores de controlar los sistemas cuánticos. "Si tocas una cuerda de violín, obtienes el sonido, pero comienza a disiparse a través del ambiente, el aire", dijo."Pero si dibujas lentamente el arco sobre la cuerda, obtienes un sonido más estable y duradero. Has traído el control al sistema".
Feldman cree que estos son tiempos fascinantes para los físicos cuánticos porque el campo de la computación cuántica se encuentra en la misma fase que la computación clásica a mediados del siglo XX. "Lo que más me emociona es cómo la investigación actual podría cambiar nuestra comprensión de los sistemas y materiales cuánticos".," él dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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