La computación cuántica podría resolver problemas que son difíciles para los sistemas informáticos tradicionales. Puede parecer magia. Un paso hacia el logro de la computación cuántica incluso se parece al truco de un mago:la levitación. Un nuevo proyecto en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. Intentará este truco levitando una partícula microscópica en una cavidad de radiofrecuencia superconductora (SRF) para observar fenómenos cuánticos.

Normalmente en Jefferson Lab y otras instalaciones de aceleradores de partículas, Las cavidades SRF permiten estudios del núcleo del átomo. Hacen esto acelerando partículas subatómicas, como los electrones. Este proyecto utilizará el mismo tipo de cavidad para levitar en su lugar una partícula microscópica de metal, entre 1 y 100 micrómetros de diámetro, con el campo eléctrico de la cavidad.

"Nadie ha suspendido intencionalmente una partícula en un campo eléctrico en el vacío utilizando cavidades SRF, "dijo Drew Weisenberger, un investigador principal de este proyecto, así como director de tecnología y jefe del Grupo de Detectores de Radiación e Imágenes en la División de Física Nuclear Experimental en Jefferson Lab.

Si el equipo del proyecto puede levitar una partícula, luego podrían impartirle un estado cuántico enfriando la partícula atrapada a su nivel de energía más bajo posible (porque ahí es cuando ocurren las propiedades cuánticas).

"Almacenar información cuántica en una nanopartícula levitada es nuestro objetivo final, pero por ahora, es una prueba de experimento de principio, "dijo Pashupati Dhakal, otro investigador principal del proyecto y un científico del personal del laboratorio Jefferson en las operaciones del acelerador, División de Investigación y Desarrollo. "Queremos saber si podemos atrapar y levitar partículas dentro de la cavidad utilizando el campo eléctrico".

Explorando el cuanto con cavidades de acelerador

La idea de este proyecto surgió de las observaciones de expertos en aceleradores. Creen que ya han levitado involuntariamente nanopartículas de metal raras y no deseadas, como el niobio y el hierro, dentro de las cavidades SRF durante las operaciones del acelerador de partículas. Sospechan que esta levitación involuntaria ha afectado el rendimiento de los componentes de la cavidad SRF.

Los investigadores están intentando utilizar una técnica de varias décadas llamada "atrapamiento láser, "como un paso hacia la impartición confiable de un estado cuántico a una partícula suspendida en un rayo láser. Pero, el equipo del proyecto Jefferson Lab piensa que las cavidades SRF pueden proporcionar una mejor herramienta para esos investigadores.

"Un campo eléctrico podría ir más allá de las capacidades del atrapamiento láser, ", Dijo Weisenberger.

Las características intrínsecas de las cavidades SRF superarán algunos límites del atrapamiento láser. Una partícula levitada en una cavidad SRF que está al vacío y enfriada a temperaturas extremadamente frías solo interactuará con el campo eléctrico de la cavidad y no perderá información al exterior. que es importante para mantener un estado cuántico.

"Como almacenar información en un chip de computadora, el estado cuántico permanecerá y no se disipará, ", Dijo Weisenberger." Y eso eventualmente podría conducir a aplicaciones en computación cuántica y comunicaciones cuánticas ".

Este proyecto, titulado "Experimento de levitación y atrapamiento de nanopartículas de SRF, "está financiado por el programa de investigación y desarrollo dirigido por laboratorios, que proporciona recursos para que el personal de Jefferson Lab realice contribuciones rápidas y significativas a problemas críticos de ciencia y tecnología relevantes para la misión de Jefferson Lab y el DOE.

Un enfoque multidisciplinario

El proyecto fue concebido y lanzado por Rongli Geng en octubre de 2020 antes de su transición al Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Ahora se ha trasladado a un equipo más amplio y multidisciplinario dirigido por Weisenberger y Dhakal, los investigadores co-principales actuales.

El equipo de Weisenberger investiga la tecnología de detectores para la investigación de la física nuclear, mientras que el trabajo de Dhakal se centra en el desarrollo de cavidades SRF para acelerar electrones a altas velocidades. Weisenberger dice que el enfoque multidisciplinario reunirá su experiencia a medida que se ramifiquen en el territorio menos familiar de este proyecto LDRD.

Ambos investigadores principales comentan que el proyecto avanza bien, gracias a la diligencia y experiencia aportada por cada miembro del equipo. Los miembros del equipo incluyen a John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross y Jack McKisson.

"Es un paso interesante fuera de las cosas habituales que hacemos, ", Dijo Weisenberger." El programa LDRD libera a los científicos e ingenieros de Jefferson Lab en una pregunta de investigación que no está directamente relacionada con lo que realmente nos contrataron para hacer, pero está haciendo uso de toda la experiencia que brindamos y es un gran recurso para aprovechar para tratar de estirar. Eso es lo que estamos haciendo con este proyecto, extensión."

Construyendo y probando

Antes de entregar el proyecto a Weisenberger y Dhakal, Geng y sus colegas habían determinado los parámetros requeridos de la cavidad y el campo eléctrico con simulaciones y cálculos.

"Tenemos todo en papel, pero tenemos que convertirlo en realidad, "Dijo Dhakal.

Actualmente, el equipo está configurando el experimento en la vida real.

"Tenemos que ver si lo que se simuló realmente puede suceder, ", Dijo Weisenberger.

Primero, ensamblarán una maqueta del experimento a temperatura ambiente. Luego, harán circular helio líquido alrededor de las superficies exteriores de la cavidad para enfriarla a temperaturas superconductoras cercanas al cero absoluto.

Luego viene la parte más difícil. Deben obtener una sola partícula microscópica en la región correcta de la cavidad mientras la cavidad está encerrada dentro de un recipiente de contención a temperaturas superconductoras. al vacío, y con el campo eléctrico encendido.

"Hemos ideado una forma de lanzar de forma remota una partícula en la cavidad en condiciones experimentales, solo tenemos que probarlo ahora, ", Dijo Weisenberger." En el mundo de la investigación y el desarrollo, a menudo no puede hacer lo que pensaba que podía hacer. Intentamos y probamos y encontramos problemas, tratar de resolver los problemas, y sigue adelante ".

Este es un proyecto de un año con la posibilidad de otro año de financiación, dependiendo de cómo vayan las cosas. También es una etapa temprana, Proyecto de prueba de principio. Si finalmente tiene éxito, Todavía habría un largo camino de I + D antes de que los conceptos pudieran aplicarse a la construcción de computadoras cuánticas. Tales computadoras requerirían levitar e impartir estados cuánticos en decenas a cientos o miles de partículas mucho más pequeñas de manera predecible y confiable.

Todavía, Los investigadores esperan con interés los descubrimientos que esperan que este estudio permita con respecto a la levitación de partículas microscópicas y la observación potencial de un estado cuántico.

"Soy optimista, "Dijo Dhakal." De cualquier manera, descubriremos algo. El fracaso es una parte tan importante de la I + D como el éxito. Aprendes de ambos. Básicamente, si la partícula levita o no, o si podemos impartirle el estado cuántico o no, es algo que nunca se ha hecho antes. Es muy desafiante y emocionante ".