Исследователи разрабатывают новый способ контроля и измерения уровней энергии в кристалле алмаза.

Подпись под фото: Аппаратура группы квантовой инженерии Массачусетского технологического института для изучения динамической симметрии кубитов в кристаллах алмаза Авторы: Guoqing Wang / MIT

Физики и инженеры давно заинтересованы в создании новых форм материи, которые обычно не встречаются в природе. Такие материалы могут когда-нибудь найти применение, например, в новых компьютерных микросхемах. Помимо приложений, они также раскрывают неуловимые идеи о фундаментальных принципах работы Вселенной. Недавняя работа в Массачусетском технологическом институте позволила создать и охарактеризовать новые квантовые системы, демонстрирующие динамическую симметрию – особые виды поведения, которые периодически повторяются, как форма, складывающаяся и отражающаяся во времени.


«Нам необходимо решить две проблемы, – говорит Чанхао Ли, аспирант лаборатории Паолы Каппелларо, профессора ядерных наук и инженерии. Ли опубликовал эту работу недавно в Письма с физическими проверкамивместе с Каппелларо и аспирантом Гоцин Ван. «Первая проблема заключалась в том, что нам нужно было спроектировать такую ​​систему. А во-вторых, как мы ее охарактеризуем? Как мы соблюдаем эту симметрию?»

Конкретно квантовая система состояла из кристалла алмаза диаметром около миллиметра. Кристалл содержит много недостатков, вызванных атом азота рядом с щелью в решетке – так называемым азотно-вакансионным центром. Как и у электрона, каждый центр обладает квантовым свойством, называемым спином, с двумя дискретными уровни энергии. Поскольку система является квантовой, спины можно найти не только на одном из уровней, но и в комбинации обоих энергетических уровней, как теоретический кот Шредингера, который может быть как живым, так и мертвым одновременно.

Уровень энергии системы определяется ее гамильтонианом, периодическая зависимость которого от времени исследователи разработали с помощью микроволнового управления. Говорят, что система обладает динамической симметрией, если ее гамильтониан был одинаковым не только после каждого периода времени t, но и после, например, каждого t / 2 или t / 3, как если бы лист бумаги складывался пополам или на три части, так что никакая часть не торчит. Георг Энгельхардт, постдок из Beijing Computational Science Research, который не участвовал в этой работе, но чья собственная теоретическая работа послужила основой, сравнивает симметрию с гитарными гармониками, в которых струна может колебаться как с частотой 100 Гц, так и 50 Гц.

Чтобы вызвать и наблюдать такую ​​динамическую симметрию, команда Массачусетского технологического института сначала инициализировала систему с помощью лазерного импульса. Затем они направили на него микроволновое излучение различных выбранных частот и позволили ему развиваться, позволяя ему поглощать и излучать энергию. «Что удивительно, это то, что когда вы добавляете такое вождение, это может демонстрировать очень необычные явления», – говорит Ли. «Он будет периодически встряхивать». Наконец, они направили в него еще один лазерный импульс и измерили видимый свет, который он флуоресцирует, чтобы определить его состояние. Измерение было всего лишь моментальным снимком, поэтому они повторили эксперимент много раз, чтобы собрать воедино своего рода книжку-книжку, которая характеризует его поведение во времени.

Исследователи разрабатывают новый способ контроля и измерения уровней энергии в кристалле алмаза.

Динамические симметрии, которые играют важную роль в физике, разработаны и характеризуются передовым набором инструментов для обработки квантовой информации. Кредит: Изображение любезно предоставлено исследователями.

“Что очень впечатляет, так это то, что они могут показать, что обладают невероятным контролем над квантовая система, – говорит Энгельгардт. – Уравнение решить довольно легко, но реализовать это в эксперименте довольно сложно ».

Важно отметить, что исследователи заметили, что динамическая симметрия гамильтониана – гармоник энергетического уровня системы – диктует, какие переходы могут происходить между одним состоянием и другим. «И новизна этой работы, – говорит Ван, – еще и в том, что мы представляем инструмент, который можно использовать для характеристики любой квантовой информационной платформы, а не только азотно-вакансионных центров в алмазах. Это широко применимо». Ли отмечает, что их метод проще, чем предыдущие методы, которые требуют постоянных лазерных импульсов для управления и измерения периодического движения системы.

Одно инженерное приложение – квантовые компьютеры, системы, которые управляют кубитами, битами, которые могут быть не только 0 или 1, но и комбинацией 0 и 1. Вращение алмаза может кодировать один кубит на двух уровнях энергии.

Кубиты деликатны: они легко разбиваются на простые биты, 1 или 0. Или кубит может стать неправильной комбинацией 0 и 1. «Эти инструменты для измерения динамической симметрии, – говорит Энгельхардт, – можно использовать в качестве здравомыслие проверьте, что ваш эксперимент настроен правильно – и с очень высокой точностью ». Он отмечает проблему внешних возмущений в квантовых компьютерах, которые он сравнивает с расстроенной гитарой. Регулируя натяжение струн – регулируя микроволновое излучение – так, чтобы гармоники соответствовали некоторым теоретическим требованиям симметрии, можно быть уверенным, что эксперимент идеально откалиброван.

Команда MIT уже нацелена на расширение этой работы. «Следующий шаг – применить наш метод к более сложным системам и изучить более интересную физику», – говорит Ли. Они стремятся к более чем двум энергетическим уровням – трем, 10 или более. Чем выше уровень энергии, тем больше кубитов. «Чем больше кубитов, тем сложнее симметрии, – говорит Ли. «И вы можете охарактеризовать их, используя наш метод здесь».


Как дефектные бриллианты приводят к безупречным квантовым сетям


Больше информации:
Guoqing Wang и др., Наблюдение правил выбора с защитой симметрии в периодически управляемых квантовых системах, Письма с физическими проверками (2021 год). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.140604

Этот рассказ переиздан с разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании Массачусетского технологического института.

Цитирование: Исследователи разрабатывают новый способ контроля и измерения уровней энергии в кристалле алмаза (2021 г., 28 октября), полученном 28 октября 2021 г. из https://phys.org/news/2021-10-energy-diamond-crystal.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, воспроизведение какой-либо части без письменного разрешения запрещено. Контент предоставляется только в информационных целях.

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.