엔지니어, 원자핵을 '큐비트'로 제어하는 ​​새로운 방법 발견

[아름이]

엔지니어, 원자핵을 '큐비트'로 제어하는 ​​새로운 방법 발견
연구원들은 레이저를 사용하여 양자 정보를 인코딩할 수 있는 스핀이라는 핵의 특성을 직접 제어할 수 있습니다.
날짜:
2023년 2월 15일
원천:
매사추세츠 공과대학
요약:
연구원들은 양자 컴퓨팅의 기본 단위인 큐비트를 만들어 데이터를 읽고 쓰도록 제어하는 ​​새로운 접근 방식을 제안한다. 이 방법은 약간 다른 색상의 두 레이저에서 나오는 광선을 사용하여 원자핵의 스핀을 측정하고 제어하는 ​​것을 기반으로 합니다.

전체 이야기
원칙적으로 컴퓨터 및 센서와 같은 양자 기반 장치는 많은 복잡한 작업을 수행하는 데 있어 기존 디지털 기술보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘할 수 있습니다. 그러나 실제로 그러한 장치를 개발하는 것은 기술 회사와 학계 및 정부 연구소의 막대한 투자에도 불구하고 어려운 문제였습니다.

오늘날 가장 큰 양자 컴퓨터에는 여전히 디지털 비트의 양자 등가물인 수백 개의 "큐비트"만 있습니다.

이제 MIT의 연구원들은 큐비트를 만들고 데이터를 읽고 쓰도록 제어하는 ​​새로운 접근 방식을 제안했습니다. 이 단계에서 이론적인 방법은 약간 다른 색상의 두 레이저에서 나오는 광선을 사용하여 원자핵의 스핀을 측정하고 제어하는 ​​것을 기반으로 합니다. 이번 연구 결과 는 MIT 박사 과정 학생인 Haowei Xu, Ju Li 교수, Paola Cappellaro 교수 및 다른 4명이 저술한 Physical Review X 저널에 발표된 논문에 설명되어 있습니다 .

핵 스핀은 오랫동안 양자 기반 정보 처리 및 통신 시스템의 잠재적 구성 요소로 인식되어 왔으며, 전자기 복사의 "양자" 또는 눈에 띄지 않는 패킷인 기본 입자인 광자도 마찬가지입니다. 그러나 원자핵과 광자는 거의 상호 작용하지 않고 고유 주파수가 6에서 9자릿수 차이가 나기 때문에 이 두 양자 물체가 함께 작동하도록 유도하는 것은 어려웠습니다.

MIT 팀이 개발한 새로운 프로세스에서 들어오는 레이저 빔의 주파수 차이는 핵 스핀의 전이 주파수와 일치하여 핵 스핀을 특정 방향으로 뒤집습니다.

핵 과학 및 공학 교수인 Cappellaro는 "우리는 레이저의 광학 광자와 핵 스핀을 인터페이스하는 새롭고 강력한 방법을 발견했습니다."라고 말했습니다. "이 새로운 결합 메커니즘은 제어 및 측정을 가능하게 하여 이제 핵 스핀을 큐비트로 사용하는 것을 훨씬 더 유망한 시도로 만듭니다."

이 과정은 완전히 조정 가능하다고 연구원들은 말합니다. 예를 들어, 레이저 중 하나는 기존 통신 시스템의 주파수와 일치하도록 조정되어 핵 스핀을 양자 중계기로 전환하여 장거리 양자 통신을 가능하게 할 수 있습니다.

핵 스핀에 영향을 미치기 위해 빛을 사용하려는 이전의 시도는 간접적이었고 대신 그 핵을 둘러싼 전자 스핀에 결합하여 자기 상호 작용을 통해 핵에 영향을 미쳤습니다. 그러나 이것은 근처에 짝을 이루지 않은 전자 스핀의 존재를 필요로 하며 핵 스핀에 추가적인 노이즈를 발생시킵니다. 새로운 접근법을 위해 연구원들은 많은 핵이 환경과 전기적 핵 사중극자 상호작용을 유도하는 전기 사중극자를 가지고 있다는 사실을 이용했습니다. 이 상호 작용은 핵 자체의 상태를 변경하기 위해 빛의 영향을 받을 수 있습니다.

"핵 스핀은 일반적으로 매우 약하게 상호 작용합니다."라고 Li는 말합니다. "그러나 일부 핵이 전기 사중극자를 가지고 있다는 사실을 이용함으로써 중간 전자 스핀 없이 핵 스핀에 직접 결합하는 이차 비선형 광학 효과를 유도할 수 있습니다. 이를 통해 핵 스핀을 직접 조작할 수 있습니다."

무엇보다도 이를 통해 물질의 동위원소를 정확하게 식별하고 매핑할 수 있는 반면, 유사 물리학에 기반한 잘 확립된 방법인 라만 분광법은 물질의 화학 및 구조를 식별할 수 있지만 동위원소는 식별할 수 없습니다. 이 기능은 많은 응용 프로그램을 가질 수 있다고 연구원들은 말합니다.

양자 메모리의 경우 현재 양자 컴퓨팅에 사용되거나 고려되는 일반적인 장치는 일관성 시간(저장된 정보가 안정적으로 그대로 유지될 수 있는 시간을 의미함)을 가지며, 이는 초 단위로 측정되는 경향이 있습니다. 그러나 핵 스핀 시스템을 사용하면 양자 결맞음 시간이 몇 시간 단위로 측정됩니다.

광학 광자는 광섬유 네트워크를 통한 장거리 통신에 사용되기 때문에 이러한 광자를 양자 메모리 또는 감지 장치에 직접 연결하는 기능은 새로운 통신 시스템에서 상당한 이점을 제공할 수 있다고 팀은 말합니다. 또한 이 효과는 한 세트의 파장을 다른 세트로 변환하는 효율적인 방법을 제공하는 데 사용될 수 있습니다. "우리는 마이크로파 광자와 광학 광자의 변환을 위해 핵 스핀을 사용하는 것을 생각하고 있습니다." Xu는 이것이 다른 방법보다 그러한 변환에 대해 더 큰 충실도를 제공할 수 있다고 덧붙였습니다.

지금까지 작업은 이론적이므로 다음 단계는 실제 실험실 장치, 아마도 분광 시스템에서 먼저 개념을 구현하는 것입니다. "이것은 원리 증명 실험을 위한 좋은 후보가 될 수 있습니다."라고 Xu는 말합니다. 그 후에 그들은 메모리 또는 변환 효과와 같은 양자 장치를 다룰 것이라고 그는 말합니다.

팀에는 MIT의 Changhao Li, Guoqing Wang, Hua Wang, Hao Tang 및 Ariel Barr도 포함되었습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/