悬浮:经典魔术戏法可能使量子计算成为可能

粒子物理技术

一个新的项目将利用加速器腔内的电场来悬浮微小的金属粒子,使其能够存储量子信息。

量子计算可以解决传统计算机系统难的问题。它看起来像魔法。迈向实现的一步量子计算甚至类似于魔术师的技巧:悬浮。美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的一个新项目将通过悬浮在超导射频(SRF)腔中的微观粒子来试图观察量子现象。

通常在Jefferson Lab和其他粒子加速器设施中,SRF腔能够实现研究原子核心。它们通过加速诸如电子的亚杀菌颗粒来完成这件事。该项目将使用相同类型的腔,而是用腔的电场汲取浮出的金属微观颗粒,直径为1至100微米。

“在使用SRF腔中,没有人故意暂停在真空中的电场中的粒子,”这项项目的主要调查员以及实验中的辐射探测器和成像组的首席技术官员和首席技术官员和负责人杰斐逊实验室的核物理司。

加速器空腔划线


这是一个加速器腔的线条图,它将被用于原理证明项目,旨在悬浮一个微小的金属粒子,使它能够存储量子信息。信贷:杰佛逊实验室

如果这个项目团队能够让一个粒子悬浮起来,他们就可以通过将被困粒子冷却到其可能的最低能级(因为那是量子特性发生的时候)来赋予粒子一个量子态。

“将量子信息存储在悬浮的纳米粒子上是我们的最终目标,但目前,这是一个原则实验证明,”项目的另一个主要调查员Pashupati Dhakal说,加速器运营,研究和杰斐逊实验室的员工科学家发展部门。“我们想知道我们是否可以使用电场捕获和培养腔内的粒子。”

用加速器腔探索量子

这个项目的想法来自加速器专家的观察。他们认为,在颗粒加速器操作期间,它们已经无意中悬浮在SRF腔内的金属等金属,例如铌和铁的稀有纳米粒子。他们怀疑这种无意的悬浮会影响SRF腔组件的性能。

研究人员正在尝试使用称为“激光捕获”的几十年历史技术,作为可靠地赋予悬浮在激光束中的颗粒上的量子状态的步骤。但是,杰斐逊实验室项目团队认为SRF腔可能为这些研究人员提供更好的工具。

Weisenberger说:“电场有可能超出激光捕获的能力。”

SRF腔的固有特性将克服激光俘获的一些限制。悬浮粒子在真空状态下的SRF腔内,冷却到超低温,只会与腔内电场相互作用,而不会向外界丢失信息,这对保持量子态很重要。

“就像在电脑芯片上存储信息一样,量子态将会保持而不会消散,”Weisenberger说。这可能最终导致应用量子计算和量子通信。“

该项目,标题为“纳米颗粒实验的SRF悬浮和诱捕”,由实验室指导研发计划提供资金,为杰斐逊实验室人员提供资源,为与杰斐逊使命相关的关键科学和技术问题提供快速和重大贡献实验室和母鹿。

多学科方法

该项目由耿荣利于2021年10月构思并启动,之后他转入橡树岭国家实验室。现在,它已经转移到一个更大、更多学科的团队,由Weisenberger和Dhakal领导,他们是目前的共同首席研究员。

Weisenberger的团队研究核物理研究的探测器技术,而Dhakal的工作侧重于开发SRF腔以高速加速电子。Weisenberger表示,多学科方法将使他们的专业知识汇集在一起​​进入这一LDRD项目的不太熟悉的领土。

两位主要研究人员都表示,由于团队每个成员的勤奋和专业知识,项目进展顺利。团队成员包括John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross and Jack McKisson。

Weisenberger说:“这是我们在日常工作之外迈出的有趣一步。”“LDRD项目让杰斐逊实验室的科学家和工程师在一个研究问题上放松,这个问题与我们实际受雇的工作没有直接关系,而是利用了我们带来的所有专业知识,这是一个很好的资源,可以尝试扩展。这就是我们在这个项目中所做的,延伸。”

建筑和测试

在将项目转换为Weisenberger和Dhakal之前,Geng及其同事们确定了腔体和电场的所需参数,用仿真和计算。

“我们在纸上拥有一切,但我们必须将其变成现实,”Dhakal说。

该团队目前正在现实生活中建立实验。

“我们必须看看模拟的东西是否实际上发生,”Weisenberger说。

首先,他们将在室温下组装实验的模型。然后,它们将围绕腔的外表面循环液氦,以将其冷却至超导温度接近绝对零度

接下来是最困难的部分。它们必须在腔的正确区域中获得单个显微镜颗粒,而腔在真空下的超导温度和电场上锁定在容纳容器内。

Weisenberger说:“我们已经想出了在实验条件下远程在空腔中发射粒子的方法,我们现在只需要对它进行测试。”“在研发领域,你常常不能做你认为自己能做的事情。我们尝试、测试并遇到问题,试图解决问题,并继续前进。”

这是一个为期一年的项目,可能还会有一年的资金,这取决于事情的进展。这也是一个早期阶段,主要项目的证明。如果它最终成功了,在将这些概念应用于建造量子计算机之前,还有很长的研发之路要走。这样的计算机需要让数十到数百乃至数千个小得多的粒子悬浮并可靠地传递量子态。

尽管如此,研究人员仍然期待着他们希望这项研究能够在微观粒子悬浮和量子态的潜在观测方面的发现。

“我很乐观,”Dhakal说。“无论哪种方式,我们都会发现一些东西。失败与R&D的成功一样多。你从两者都学习。基本上,粒子是否悬浮或不悬浮,或者我们是否可以向其赋予量子状态,或者是之前从未完成的东西。这是非常挑战性和令人兴奋的。“

该团队已经在该项目的作品中拥有一项研究文件,但只有时间将判断他们是否可以在实验室中实现这一点魔法。

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