Kvantecomputere har potentialet til at revolutionere teknologi ved at løse komplekse beregninger og beregninger, der er vanskelige, hvis ikke umulige, for traditionelle computere. En vigtig vejspærring er imidlertid ustabilitet – kvantumstater kan let forstyrres af “støj” fra deres omgivende miljøer, hvilket forårsager fejl i systemerne. At overvinde ustabilitet er vigtig for at skabe effektive og pålidelige kvantecomputere og andre kvanteteknologier.
Forskere ved University of Rochester-inklusive John Nichol, lektor i Institut for Fysik og Astronomi-har taget et vigtigt skridt mod at reducere ustabilitet i kvantesystemer ved at fokusere på en undvigende tilstand kaldet en nuklear spin mørk tilstand. Selvom forskere længe har mistænkt for, at den nukleare mørke stat kunne eksistere, har de ikke været i stand til at give direkte bevis for det-indtil nu.
“Ved direkte at bekræfte eksistensen af Dark State og dens egenskaber validerer resultaterne ikke kun årtier med teoretiske forudsigelser, men åbner også døren til at udvikle mere avancerede kvantesystemer,” siger Nichol.
Forskningen, der blev offentliggjort i Naturfysikfokuserer på at bruge kvanteprikker-små halvlederpartikler, der fanger enkeltelektroner og bruger deres “spin” til at gemme information-til at skabe en nuklear-spin mørk tilstand.
Hvad er nuklear-spin mørk tilstand?
En nuklear-spin mørk tilstand er en speciel kvantetilstand, hvor kernen i et atom i det væsentlige bliver “skjult” fra omverdenen. I en nuklear-spin mørk tilstand stiller de små magnetiske egenskaber-kendt som spins-af atomkerner op og synkroniseres på en måde, der forhindrer dem i at forstyrre en elektrons spin. Dette hjælper med at holde elektronspinet stabilt.
Forestil dig, at en elektrons spin er en solist, der prøver at udføre, mens de omkringliggende atomkerner er som et orkester. Hvis musikerne i orkesteret er ude af synkronisering og spiller med forskellige hastigheder og volumener, kan det smide solist. Men hvis orkesterets medlemmer justerer deres timing og spiller perfekt synkroniseret, kan deres lyd blandes i baggrunden, og solistens musik vil være klar og uforstyrret.
Udnyttelse af mørke stater til kvanteteknologier
Nichol og hans kolleger anvendte en teknik kaldet dynamisk nuklear polarisering for at justere de nukleare spins og skabe betingelser for, at den nukleare mørke tilstand dannes. De målte direkte dens virkninger og fandt, at den mørke tilstand markant reducerede interaktioner mellem spins af elektroner og kerner.
Forskningen har mange potentielle anvendelser inden for kvantefølelse og kvantehukommelsesteknologier.
“Ved at reducere støjen vil dette gennembrud give kvanteenheder mulighed for at gemme information længere og udføre beregninger med stor nøjagtighed,” siger Nichol.
Fordi nuklear-spin mørke tilstande er meget stabile, kunne de bruges i kvantecomputere og andre teknologier til at gemme langsigtet information. De kunne også bruges til at foretage utroligt nøjagtige målinger ved at detektere små ændringer i magnetiske felter, temperatur eller tryk, forbedre medicinsk billeddannelse og navigation.
Det faktum, at den nukleære spin mørke stat blev opdaget i silicium, gør opdagelsen endnu mere spændende for mulige fremtidige anvendelser. Nichol siger, “Silicium er allerede i vid udstrækning brugt i dagens teknologi, hvilket betyder, at det en dag kan være muligt at integrere nuklear-spin mørke stater i fremtidige kvanteenheder.”