Wissenschaftler erfinden eine „Quantenflöte“, die Lichtteilchen dazu bringen kann, sich zusammenzubewegen

UChicago-Wissenschaftler erfinden eine „Quantenflöte“, die Lichtteilchen dazu bringen kann, sich zusammenzubewegen

Ein neues „Quantenflöten“-Experiment von Physikern der University of Chicago könnte den Weg zu einer neuen Quantentechnologie weisen. Die Löcher erzeugen unterschiedliche Wellenlängen, ähnlich wie „Noten“ auf einer Flöte, die zur Codierung von Quanteninformationen verwendet werden können. Bildnachweis: Foto mit freundlicher Genehmigung des Schuster-Labors

Physiker der University of Chicago haben eine „Quantenflöte“ erfunden, die wie der Rattenfänger Lichtteilchen dazu zwingen kann, sich auf eine noch nie dagewesene Weise zusammenzubewegen.

Beschrieben in zwei Studien, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung und Naturphysikkönnte der Durchbruch den Weg zur Realisierung weisen Quantenspeicher oder neue Formen der Fehlerkorrektur in Quantencomputern und die Beobachtung von Quantenphänomenen, die in der Natur nicht zu sehen sind.

Assoz. Lehrer. Das Labor von David Schuster arbeitet weiter Quantenbits– das Quantenäquivalent eines Computerbits – die die seltsamen Eigenschaften von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene nutzen, um Dinge zu tun, die sonst unmöglich wären. In diesem Experiment arbeiteten sie mit Lichtteilchen, sogenannten Photonen, im Mikrowellenspektrum.

Das von ihnen entwickelte System besteht aus einem langen Hohlraum aus einem einzigen Metallblock, der Photonen bei Mikrowellenfrequenzen einfangen soll. Der Hohlraum wird durch Bohren versetzter Löcher hergestellt – wie Löcher in einer Flöte.

„Wie im Musikinstrument“, sagte Schuster, „man kann eine oder mehrere Wellenlängen von Photonen über das Ganze schicken, und jede Wellenlänge erzeugt eine ‚Note‘, die zum Kodieren verwendet werden kann Quanteninformationen.“ Die Wechselwirkungen der „Noten“ können die Forscher dann mit einem Master-Quantenbit, einem supraleitenden Stromkreis, steuern.

Aber ihre seltsamste Entdeckung war die Art und Weise, wie sich die Photonen zusammen verhielten.

In der Natur interagieren Photonen kaum – sie gehen einfach durcheinander hindurch. Mit sorgfältiger Vorbereitung können Wissenschaftler manchmal zwei Photonen veranlassen, auf die Anwesenheit des anderen zu reagieren.

“Hier machen wir etwas noch Seltsameres”, sagte Schuster. „Am Anfang interagieren die Photonen überhaupt nicht, aber wenn die Gesamtenergie Das System erreicht plötzlich einen Wendepunkt, alle reden miteinander.”

So viele Photonen in einem Laborexperiment miteinander „sprechen“ zu lassen, ist äußerst seltsam, ähnlich wie eine Katze auf den Hinterbeinen laufen zu sehen.

„Normalerweise sind die meisten Partikelwechselwirkungen Eins-zu-Eins – zwei Partikel prallen ab oder ziehen sich gegenseitig an“, sagte Schuster. “Wenn Sie ein drittes hinzufügen, interagieren sie normalerweise immer noch nacheinander mit dem einen oder anderen. Aber bei diesem System interagieren sie alle gleichzeitig.”

Ihre Experimente testeten nur bis zu fünf „Notizen“ gleichzeitig, aber die Wissenschaftler könnten sich schließlich vorstellen, Hunderte oder Tausende von Notizen durch ein einziges Qubit laufen zu lassen, um sie zu steuern. Bei einer Operation, die so komplex ist wie die eines Quantencomputers, wollen Ingenieure alles vereinfachen, wo sie können, sagte Schuster: „Wenn Sie einen Quantencomputer mit 1.000 Bits bauen wollten und sie alle durch ein einziges Bit steuern könnten, wäre das unglaublich wertvoll .”

Auch das Verhalten an sich begeistert die Forscher. Niemand hat so etwas wie diese Wechselwirkungen in der Natur beobachtet, daher hoffen die Forscher, dass die Entdeckung auch nützlich sein kann, um komplexe physikalische Phänomene zu simulieren, die hier auf der Erde nicht einmal zu sehen sind, einschließlich vielleicht sogar eines Teils der Physik von Schwarzen Löchern.

Darüber hinaus machen die Experimente einfach Spaß.

„Normalerweise finden Quantenwechselwirkungen über Längen- und Zeitskalen statt, die zu klein oder zu schnell sind, um sie zu sehen. In unserem System können wir sie einzeln messen Photonen in einer unserer Notizen, und beobachten Sie die Wirkung der Interaktion, während sie stattfindet. Es ist wirklich ganz nett, eine Quanteninteraktion mit dem Auge zu ‚sehen‘“, sagte Srivatsan Chakram, Postdoktorand an der UChicago, Co-Erstautor der Veröffentlichung und jetzt Assistenzprofessor an der Rutgers University.


Zwillingsphotonen aus verschiedenen Quantenpunkten


Mehr Informationen:
Srivatsan Chakram et al, Seamless High-Q Microwave Cavities for Multimode Circuit Quantum Electrodynamics, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.107701

Srivatsan Chakram et al., Multimode-Photonenblockade, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01630-y

Zur Verfügung gestellt von
Universität Chicago


Zitieren: Scientists Invent ‘Quantum Flute’ that Can Make Particles of Light Move Together (2022, 6. Juli), abgerufen am 6. Juli 2022 von https://phys.org/news/2022-07-scientists-quantum-flute-particles.html

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