Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía están llevando a cabo investigaciones de física fundamental que conducirán a un mayor control sobre los sistemas y materiales cuánticos mercuriales. Sus estudios permitirán avances en la computación cuántica, sintiendo simulación, y desarrollo de materiales.

Los resultados experimentales de los investigadores se publicaron recientemente en Revisión física B Comunicación rápida y Letras de óptica .

La información cuántica se considera frágil porque se puede perder cuando el sistema en el que está codificada interactúa con su entorno. un proceso llamado disipación. Los científicos de las direcciones de Computación y Ciencias Computacionales y Ciencias Físicas de ORNL y la Universidad de Vanderbilt han colaborado para desarrollar métodos que les ayudarán a controlar, o impulsar, las "fugas, "Comportamiento disipativo inherente a los sistemas cuánticos.

"Nuestro objetivo es desarrollar plataformas experimentales que nos permitan sondear y controlar la dinámica cuántica coherente en materiales, "dijo Benjamin Lawrie, un científico investigador en el equipo de detección cuántica en el grupo de ciencia de la información cuántica de ORNL. "Para hacer eso, a menudo tienes que ser capaz de comprender lo que está sucediendo a nanoescala ".

Aportando perspectivas de la ciencia de la información cuántica, nanociencia y 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 alrededor de una mil millonésima parte de un metro.

Un proyecto se centró en impulsar los defectos de los centros vacantes de nitrógeno en nanodiamantes con plasmones. Los defectos que ocurren naturalmente se crean cuando se forma un átomo de nitrógeno en lugar del típico átomo de carbono, adyacente a una vacante sin átomos. Los defectos se están investigando para su uso en pruebas de entrelazamiento, un estado que permitirá codificar sustancialmente más información en un sistema cuántico que la que se puede lograr con la computación clásica.

Los electrones generan un campo eléctrico. Cuando se aplica un haz de electrones a un material, los electrones del material se mueven, un estado llamado excitación, creando un campo magnético que luego puede detectarse como luz. Trabajando con plasmones, excitaciones electrónicas que se acoplan fácilmente a la luz, permite a los científicos examinar los campos electromagnéticos a nanoescala.

Matthew Feldman, un estudiante de posgrado de la Universidad de Vanderbilt que realiza una investigación de doctorado en ORNL a través del programa de becas de posgrado en ciencias e ingeniería de la defensa nacional y miembro del equipo de detección cuántica, utilizó un haz de electrones de alta energía para excitar los centros vacantes de nitrógeno en nanopartículas de diamante, haciendo que emitan 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, recolectar los fotones emitidos y caracterizar las interacciones de alta velocidad entre los centros vacantes de nitrógeno, plasmones y vibraciones dentro del nanodiamante.

En otra investigación, Jordan Hachtel, becario postdoctoral con el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, utilizó el microscopio de catodoluminiscencia para excitar plasmones en nanoespirales de oro. Exploró cómo se podría aprovechar la geometría de las espirales para enfocar la energía en sistemas a nanoescala. Andy Lupini se desempeñó en el proyecto como consultor de microscopía, proporcionando experiencia en optimización de equipos y resolución de problemas.

Se requiere un control preciso sobre la transferencia de energía a nanoescala para permitir un entrelazamiento de larga duración en un modelo explorado por Eugene Dumitrescu, un científico investigador en el Grupo de Ciencias de la Información Cuántica de ORNL. La investigación de Dumitrescu, publicado en Physical Review A a finales de 2017, mostró que las estadísticas de fotones recopiladas por Feldman podrían usarse en cálculos para mostrar el entrelazamiento.

"Este trabajo avanza nuestro conocimiento sobre cómo controlar las interacciones luz-materia, proporcionar una prueba experimental de un fenómeno que había sido descrito previamente mediante simulaciones, "Dijo Lawrie.

Sistemas cerrados, en el que la información cuántica se puede mantener alejada de su entorno, teóricamente puede prevenir la disipación, pero los sistemas cuánticos del mundo real están abiertos a numerosas influencias que dan como resultado una fuga de información.

"El elefante en la habitación en las discusiones sobre sistemas cuánticos es la decoherencia, ", Dijo Feldman." Si podemos modelar un entorno para influir en cómo funciona un sistema cuántico, podemos permitir el enredo ".

Dumitrescu estuvo de acuerdo. "Sabemos que los sistemas cuánticos tendrán fugas. Un remedio es impulsarlos, ", dijo." Los mecanismos impulsores que estamos explorando cancelan los efectos de la disipación ".

Dumitrescu utilizó la analogía de un instrumento musical para explicar los intentos de los investigadores de controlar los sistemas cuánticos. "Si tocas la cuerda de un violín, obtienes el sonido, pero comienza a disiparse por el medio ambiente, El aire, ", dijo." Pero si pasas lentamente el arco por la cuerda, obtienes una mas estable, sonido más duradero. Has llevado 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.