Met een gestroomlijnde nieuwe vergelijking kunnen wetenschappers eenvoudig de levensduur van de kwantuminformatie van 12.000 verschillende materialen berekenen.

Wetenschappers hebben een wiskundige snelkoppeling ontdekt om een ​​zeer belangrijk kenmerk van kwantumapparaten te berekenen.

Na het berekenen van de kwantumeigenschappen van 12.000 elementen en verbindingen, publiceerden de onderzoekers een nieuwe vergelijking om te schatten hoe lang materialen kwantuminformatie kunnen vasthouden, de zogenaamde “coherentietijd”.

“Mensen moesten vertrouwen op ingewikkelde codes en berekeningen om de coherentietijden van spin-qubits te voorspellen. Maar nu kunnen mensen de voorspelling direct zelf berekenen. Dit opent de mogelijkheid voor onderzoekers om zelf de volgende generatie qubit-materialen te vinden”, zegt co-auteur Shun Kanai van de Tohoku University.

De elegante formule stelt wetenschappers in staat om de coherentietijden van materialen in een oogwenk te schatten, vergeleken met de uren of weken die nodig zijn om een ​​exacte waarde te berekenen.

Het team, bestaande uit wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de University of Chicago, Tohoku University in Japan en Ajou University in Korea, publiceerden hun bevindingen in april in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

De vergelijking van het team is van toepassing op een bepaalde klasse materialen, die kunnen worden gebruikt in apparaten die spin-qubits worden genoemd.

“Mensen moesten vertrouwen op ingewikkelde codes en berekeningen om de coherentietijden van spin-qubits te voorspellen. Maar nu kunnen mensen de voorspelling direct zelf berekenen’, zei Kanai. “Dit biedt onderzoekers de mogelijkheid om zelf de volgende generatie qubit-materialen te vinden.”

Qubits zijn de fundamentele eenheid van kwantuminformatie, de kwantumversie van klassieke computerbits. Ze zijn er in verschillende vormen en variëteiten, waaronder een type dat een spin-qubit wordt genoemd. Een spin-qubit slaat gegevens op in de spin van een materiaal, een kwantumeigenschap die inherent is aan alle atomaire en subatomaire materie, zoals elektronen, atomen en groepen atomen.

Wetenschappers verwachten dat kwantumtechnologieën ons dagelijks leven zullen helpen verbeteren. We kunnen mogelijk informatie verzenden via kwantumcommunicatienetwerken die ondoordringbaar zijn voor hackers, of we kunnen kwantumsimulaties gebruiken om de medicijnafgifte te versnellen.

Het realiseren van dit potentieel zal afhangen van de beschikbaarheid van voldoende stabiele qubits – die voldoende lange coherentietijden hebben – om de informatie op te slaan, te verwerken en te verzenden.

Hoewel de vergelijking van het onderzoeksteam slechts een ruwe voorspelling geeft van de coherentietijd van een materiaal, komt deze vrij dicht in de buurt van de werkelijke waarde. En wat de vergelijking aan precisie mist, maakt hij goed met gemak. Er zijn slechts vijf getallen – de waarden van vijf bijzondere eigenschappen van het betreffende materiaal – nodig om tot een oplossing te komen. Sluit ze aan en voila! Je hebt je consistentietijd.

Diamant en siliciumcarbide zijn momenteel de meest gevestigde materialen voor het hosten van spin-qubits. Nu kunnen wetenschappers andere kandidaten verkennen zonder dagenlang te hoeven berekenen of een materiaal het onderzoeken waard is.

“De vergelijking is als een lens. Het vertelt je: “Kijk hier, kijk naar dit materiaal – het ziet er veelbelovend uit”, zegt Giulia Galli, een professor aan de Universiteit van Chicago en senior wetenschapper bij Argonne, co-auteur van de studie en medewerker van Q-NEXT. “We zijn op zoek naar nieuwe qubit-platforms, nieuwe materialen. Het identificeren van wiskundige relaties op deze manier duidt op nieuwe materialen om te proberen, om te combineren.

Met deze vergelijking in de hand zijn de onderzoekers van plan om de nauwkeurigheid van hun model te vergroten.

Ze zullen ook in contact komen met onderzoekers die de materialen kunnen maken met de meest veelbelovende coherentietijden, en testen of ze zo goed werken als de vergelijking voorspelt. (Het team heeft al een succes geboekt: een wetenschapper buiten het team meldde dat de relatief lange coherentietijd van een materiaal genaamd calciumwolframaat werkte zoals voorspeld door de formule van het team.)

“Onze bevindingen helpen ons de huidige kwantuminformatietechnologie vooruit te helpen, maar dat is niet alles”, zegt Hideo Ohno, een professor aan de Tohoku University, momenteel de universiteitspresident en co-auteur van het item. “Het opent nieuwe mogelijkheden door kwantumtechnologie te koppelen aan een verscheidenheid aan conventionele systemen, waardoor we nog meer vooruitgang kunnen boeken met de materialen die we al kennen. We verleggen meer dan één wetenschappelijke grens.

Ontdekking van materie-golf polaritonen werpt nieuw licht op fotonische kwantumtechnologieën

Het ontwikkelen van experimentele platforms die het gebied van kwantumwetenschap en -technologie (QIST) bevorderen, gaat gepaard met een unieke reeks voordelen en uitdagingen die elke opkomende technologie gemeen hebben. Onderzoekers van Stony Brook University, onder leiding van Dominik Schneble, Ph.D., rapporteren de vorming van materiegolfpolaritonen in een optisch rooster, een experimentele bevinding waarmee een centraal QIST-paradigma kan worden onderzocht door middel van een directe kwantumsimulatie met behulp van ultrakoude atomen. De onderzoekers voorspellen dat hun nieuwe quasideeltjes, die sterk op elkaar inwerkende fotonen in materialen en apparaten nabootsen, maar enkele van de inherente uitdagingen omzeilen, de verdere ontwikkeling van QIST-platforms die klaar zijn om computergebruik en communicatie te transformeren, ten goede zullen komen.

Het onderzoek werpt licht op fundamentele eigenschappen van polariton en bijbehorende veellichamenverschijnselen, en opent nieuwe mogelijkheden voor de studie van polaritonische kwantummaterie.

Een belangrijke uitdaging bij het werken met op fotonen gebaseerde QIST-platforms is dat, hoewel fotonen ideale dragers van kwantuminformatie kunnen zijn, ze normaal gesproken geen interactie met elkaar hebben. De afwezigheid van dergelijke interacties remt ook de gecontroleerde uitwisseling van kwantuminformatie tussen hen. Wetenschappers hebben een manier gevonden om dit probleem te omzeilen door fotonen te koppelen aan zwaardere excitaties in materialen, waardoor polaritons, chimera-achtige hybriden tussen licht en materie, worden gevormd. Botsingen tussen deze zwaardere quasi-deeltjes zorgen ervoor dat de fotonen effectief kunnen interageren. Dit kan de implementatie van op fotonen gebaseerde quantumgate-operaties en mogelijk een volledige QIST-infrastructuur mogelijk maken.

Een grote uitdaging is echter de beperkte levensduur van deze op fotonen gebaseerde polaritons vanwege hun stralingskoppeling met de omgeving, wat leidt tot ongecontroleerd spontaan verval en decoherentie.

Volgens Schneble en zijn collega’s omzeilt hun gepubliceerde onderzoek naar de polariton deze beperkingen die worden veroorzaakt door spontaan verval volledig. De fotonische aspecten van hun polaritonen worden volledig gedragen door atomaire materiegolven, waarvoor dergelijke ongewenste vervalprocessen niet bestaan. Deze functie opent de toegang tot parameterregimes die niet of nog niet toegankelijk zijn in op fotonen gebaseerde polaritonische systemen.

“De ontwikkeling van de kwantummechanica heeft de afgelopen eeuw gedomineerd, en een ’tweede kwantumrevolutie’ in de richting van de ontwikkeling van QIST en zijn toepassingen is nu overal ter wereld in volle gang, ook bij bedrijven als IBM, Google en Amazon”, zegt Schneble, een professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Hogeschool voor Kunsten en Wetenschappen. “Ons werk belicht enkele fundamentele kwantummechanische effecten die van belang zijn voor opkomende fotonische kwantumsystemen in QIST, variërend van nanofotonica van halfgeleiders tot kwantumelektrodynamica van circuits.”

De Stony Brook-onderzoekers voerden hun experimenten uit met een platform met ultrakoude atomen in een optisch rooster, een eikratachtig potentieel landschap gevormd door staande lichtgolven. Met behulp van een speciaal vacuümapparaat met verschillende lasers en controlevelden en werkend bij een nanokelvin-temperatuur, implementeerden ze een scenario waarin atomen die in het rooster vastzitten, zichzelf ‘kleden’ in wolken van hitte, excitaties bestaande uit golven van fragiele en vluchtige materie.

Het team ontdekte dat polaritonische deeltjes daardoor veel mobieler worden. De onderzoekers waren in staat om hun interne structuur direct te onderzoeken door het rooster zachtjes te schudden, waardoor ze toegang kregen tot materiegolfbijdragen en atomaire roosterexcitatie. Wanneer ze alleen gelaten worden, springen materiegolfpolaritonen door het rooster, interageren met elkaar en vormen stabiele fasen van quasi-deeltjesvormige materie.

“Met ons experiment voerden we een kwantumsimulatie uit van een exciton-polaritonsysteem in een nieuw regime”, zegt Schneble. “De zoektocht om dergelijke ‘analoge’ simulaties uit te voeren, die bovendien ‘analoog’ zijn in de zin dat de relevante parameters vrij kunnen worden samengesteld, is op zich een belangrijke richting binnen QIST. »

Stony Brook’s onderzoek omvatte afgestudeerde studenten Joonhyuk Kwon (momenteel een postdoctoraal onderzoeker bij Sandia National Laboratory), Youngshin Kim en Alfonso Lanuza.

Categorized in: