Это исследование вносит свой вклад в зарождающуюся науку о квантовой обработке информации, которая требует, чтобы наука оставила однозначную вселенную традиционной бинарной логики — 0 или 1 — и приняла парадоксальный квантовый мир, в котором электроны могут находиться во многих состояниях одновременно.Команда исследовала квантово-механическое свойство электрона, известное как спин. Подобно тому, как обычные компьютеры используют состояние заряда электронов для формирования битов информации, квантовый компьютер использует состояние спина электрона в качестве квантового бита или кубита.
Эта работа может ускорить разработку квантовых вычислительных устройств и дополнительных вычислительных мощностей, которые будут с ними связаны, потому что будет легче идентифицировать материалы с соответствующими квантовыми свойствами.Исследуемая спиновая система известна как центр азот-вакансия (NV), дефект размером с атом, который возникает в природе в алмазе, состоящий из атома азота рядом с вакантным пятном в кристаллической решетке. «Эти дефекты вызвали большой интерес за последнее десятилетие, предоставив систему испытательного стенда для разработки полупроводниковых квантовых битов, а также наноразмерных датчиков», — сказал руководитель группы Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии семьи Лью из Калифорнийского университета в Чикаго. «Здесь мы смогли использовать свет, чтобы полностью контролировать квантовое состояние этого дефекта на чрезвычайно высоких скоростях».Квантовые снимкиВ этом новом методе исследователи находят единственный NV-центр и затем освещают его парой очень коротких импульсов лазерного света.
Каждый импульс длится менее пикосекунды (или миллионной доли секунды). Первый импульс возбуждает квантовые состояния дефектно-связанного электрона, которые затем изменяются или развиваются характерным образом.
Второй импульс останавливает эту эволюцию, фиксируя картину квантового состояния за прошедшее время.Постепенно увеличивая время, прошедшее между двумя импульсами, команда создает последовательность снимков квантового состояния — фильм о том, как квантовое состояние изменяется во времени. Истекшее время может составлять от фемтосекунд (одна миллиардная миллионная секунды) до наносекунд (тысячная часть миллионной секунды).
В человеческом масштабе этот диапазон времени подобен разнице между часом и столетием.Такой широкий диапазон временных рамок делает эту технику особенно ценной. Электрон восприимчив и взаимодействует со своим сложным локальным окружением множеством различных способов, каждый из которых имеет характерную временную шкалу. Возможность протестировать широкий диапазон этих временных масштабов дает гораздо более полную картину динамики NV-центра, чем это было получено ранее.
«Наша цель состояла в том, чтобы раздвинуть границы квантового контроля в этих замечательных дефектных системах, — объяснил Ли Бассетт, соавтор статьи и доцент кафедры электротехники и системотехники в Университете Пенсильвании, — но этот метод также обеспечивает новый захватывающий инструмент измерения. Используя световые импульсы для управления квантовой динамикой дефекта в сверхкоротких временных масштабах, мы можем извлечь огромное количество информации о дефекте и его окружении ».«Это довольно универсальный метод, дающий полную картину возбужденного состояния квантового дефекта», — сказал Ф. Джозеф Хереманс, научный сотрудник Калифорнийского университета в Чикаго, второй соавтор статьи. «Предыдущая работа по центру вакансий азота намекала на некоторые из этих процессов, но здесь, просто благодаря применению этих сверхбыстрых импульсов, мы получаем гораздо более глубокое понимание этого квантового зверя».Контроль отжимаОднако это не просто вопрос наблюдения. «Этот метод также обеспечивает средства контроля состояния спина — важный предшественник для любой квантовой информационной системы», — сказала Эвелин Ху, профессор прикладной физики и электротехники в Гарвардском университете, не имеющая отношения к новой работе.
Кроме того, метод не ограничивается исследованием именно этого дефекта. Его можно применить к квантовым состояниям материи во множестве материалов и технологий, включая многие полупроводниковые материалы. «Вам нужно только уметь использовать свет для переноса электрона между основным и возбужденным состояниями», — сказал Авшалом.Проф. Гвидо Буркард, физик-теоретик из Университета Констанца и соавтор статьи, заметил: «Этот метод предлагает путь к пониманию и контролю над новыми материалами на атомном уровне».
Ху соглашается, что эта техника открывает много новых возможностей. «Каждая новая система будет создавать новые проблемы для понимания уровней энергии, местной окружающей среды и других свойств, но общий подход должен обеспечить огромный шаг вперед для этой области», — сказал Ху.Помимо исследователей из Института молекулярной инженерии Калифорнийского университета в Чикаго, в команду вошли сотрудники из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (со-ведущий автор Ли Бассетт сейчас работает в Пенсильванском университете) и из Университета Констанца, Германия.