Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia stanno conducendo ricerche di fisica fondamentale che porteranno a un maggiore controllo sui sistemi quantistici e sui materiali mercuriali. I loro studi consentiranno progressi nell'informatica quantistica, rilevamento, simulazione, e sviluppo dei materiali.

I risultati sperimentali dei ricercatori sono stati recentemente pubblicati in Revisione fisica B Comunicazione rapida e Lettere di ottica .

L'informazione quantistica è considerata fragile perché può andare persa quando il sistema in cui è codificata interagisce con il suo ambiente, un processo chiamato dissipazione. Scienziati con le direzioni Computing and Computational Sciences e Physical Sciences dell'ORNL e la Vanderbilt University hanno collaborato per sviluppare metodi che li aiuteranno a controllare, o guidare, la "perdita, " comportamento dissipativo inerente ai sistemi quantistici.

"Il nostro obiettivo è sviluppare piattaforme sperimentali che ci permettano di sondare e controllare la dinamica quantistica coerente nei materiali, " ha detto Benjamin Lawrie, uno scienziato ricercatore nel Quantum Sensing Team del Quantum Information Science Group dell'ORNL. "Fare quello, spesso devi essere in grado di capire cosa sta succedendo su scala nanometrica."

Portare prospettive dalla scienza dell'informazione quantistica, nanoscienza e microscopia elettronica, gli scienziati sfruttano le conoscenze esistenti sulla materia e la fisica della luce e del suono per esaminare la natura quantistica delle nanostrutture, strutture che misurano circa un miliardesimo di metro.

Un progetto si è concentrato sull'indirizzamento dei difetti dei centri vacanti di azoto nei nanodiamanti con i plasmoni. I difetti naturali si creano quando si forma un atomo di azoto al posto del tipico atomo di carbonio, adiacente a un posto vacante senza atomi. I difetti sono oggetto di indagine per l'utilizzo in prove di entanglement, uno stato che consentirà di codificare sostanzialmente più informazioni in un sistema quantistico di quanto si possa ottenere con l'informatica classica.

Gli elettroni generano un campo elettrico. Quando un fascio di elettroni viene applicato a un materiale, gli elettroni del materiale sono stimolati al movimento, uno stato chiamato eccitazione, creando un campo magnetico che può quindi essere rilevato come luce. Lavorare con i plasmoni, eccitazioni elettroniche che si accoppiano facilmente con la luce, consente agli scienziati di esaminare i campi elettromagnetici su scala nanometrica.

Matteo Feldman, uno studente laureato della Vanderbilt University che conduce una ricerca di dottorato presso l'ORNL attraverso il programma National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship e un membro del Quantum Sensing Team, utilizzato un fascio di elettroni ad alta energia per eccitare i centri vacanti di azoto nelle nanoparticelle di diamante, facendoli emettere luce. Ha quindi utilizzato un microscopio a catodoluminescenza di proprietà della Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL, che misura la luminescenza dello spettro visibile nei materiali irradiati, raccogliere i fotoni emessi e caratterizzare le interazioni ad alta velocità tra i centri di vacanza di azoto, plasmoni e vibrazioni all'interno del nanodiamante.

In altre ricerche, Jordan Hachtel, un borsista post-dottorato con il Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL, ha usato il microscopio a catodoluminescenza per eccitare plasmoni in nanospirali d'oro. Ha esplorato come sfruttare la geometria delle spirali per concentrare l'energia nei sistemi su nanoscala. Andy Lupini ha servito il progetto come consulente di microscopia, fornendo competenze per quanto riguarda l'ottimizzazione delle apparecchiature e la risoluzione dei problemi.

È necessario un controllo preciso sul trasferimento di energia su scala nanometrica per consentire un entanglement di lunga durata in un modello esplorato da Eugene Dumitrescu, uno scienziato ricercatore nel Quantum Information Science Group dell'ORNL. la ricerca di Dumitrescu, pubblicato su Physical Review A alla fine del 2017, ha mostrato che le statistiche sui fotoni raccolte da Feldman potevano essere utilizzate nei calcoli per mostrare l'entanglement.

"Questo lavoro fa progredire la nostra conoscenza su come controllare le interazioni luce-materia, fornendo prove sperimentali di un fenomeno che era stato precedentemente descritto da simulazioni, " ha detto Lawrie.

Sistemi chiusi, in cui l'informazione quantistica può essere tenuta lontana dall'ambiente circostante, teoricamente può impedire la dissipazione, ma i sistemi quantistici del mondo reale sono aperti a numerose influenze che provocano la perdita di informazioni.

"L'elefante nella stanza nelle discussioni sui sistemi quantistici è la decoerenza, " Feldman ha detto. "Se siamo in grado di modellare un ambiente per influenzare il funzionamento di un sistema quantistico, possiamo abilitare l'entanglement."

Dumitrescu acconsentì. "Sappiamo che i sistemi quantistici perderanno. Un rimedio è guidarli, " ha detto. "I meccanismi di guida che stiamo esplorando annullano gli effetti della dissipazione".

Dumitrescu ha usato l'analogia di uno strumento musicale per spiegare i tentativi dei ricercatori di controllare i sistemi quantistici. "Se pizzichi una corda di violino, ottieni il suono, ma comincia a disperdersi nell'ambiente, l'aria, " disse. "Ma se tiri lentamente l'arco attraverso la corda, si ottiene un più stabile, suono più duraturo. Hai portato il controllo sul sistema".

Feldman pensa che questi siano tempi affascinanti per i fisici quantistici perché il campo dell'informatica quantistica è nella stessa fase in cui si trovava l'informatica classica a metà del XX secolo. "Ciò che mi entusiasma di più è come la ricerca attuale potrebbe cambiare la nostra comprensione dei sistemi e dei materiali quantistici, " Egli ha detto.