據(jù) phys 2 月 18 日報道，芝加哥大學(xué)和阿貢國家實驗室的研究人員提出了一種新方法，可以通過聲波實現(xiàn)不同類型量子技術(shù)間的互相“交談”。該技術(shù)于 2 月 11 日在 Nature Physics 上發(fā)表，這是將量子技術(shù)進行實際應(yīng)用的重要一步。

圖丨聲波的 X 射線圖像（來源：Kevin Satzinger and Samuel Whiteley）

研究人員正關(guān)注于量子系統(tǒng)的研究，量子的特殊性質(zhì)成為計算和通信領(lǐng)域研究新一代原子級電子學(xué)的關(guān)鍵。但是，量子系統(tǒng)的研究困難在于不同類型量子技術(shù)之間的信息傳遞，例如量子存儲器和量子處理器間的信息傳遞。

阿貢國家實驗室分子工程研究所的教授、著名科學(xué)家 David Awschalom 說：“我們通過提出問題來深入研究：我們能否操縱物質(zhì)的量子態(tài)并將其與聲波聯(lián)系起來呢？”

量子計算借助于電子的自旋方向來運行。在二進制計算機編程語言中，科學(xué)家們可以將自旋方向與 0、1 對應(yīng)。但在其他領(lǐng)域就無法直接獲取這些信息了，科學(xué)家認為通過聲波可以翻譯這些信息。

圖丨 Martin Holt 在阿貢納米材料中心利用高強光 X 射線納米探針拍攝的聲波 X 射線圖像（來源：阿貢國家實驗室）

該論文的第一作者 Samuel Whiteley 說：“我們的目標是將聲波與材料中電子的自旋方向聯(lián)系起來。但困難在于如何觀察電子的自旋。”于是他們建立了一個帶有彎曲電極的系統(tǒng)來聚集聲波，這就像使用放大鏡聚焦光點一樣。

實驗的初步結(jié)果還不錯，同時，研究人員需要更多的數(shù)據(jù)。為了實時觀測材料中量子的原子動力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)，他們與阿貢納米材料中心的科學(xué)家一起，利用巨型同步加速器的高強光 X 射線作為顯微鏡，當(dāng)聲波以每秒近 7000 公里的速度穿過材料時，觀察材料內(nèi)部的原子狀態(tài)。Awschalom 說：“這是世界上僅有的幾臺設(shè)備，可以直接觀察到原子在晶格中的狀態(tài)。”

研究人員稱，聲波的量子效應(yīng)要比之前想象的復(fù)雜的多。為了在亞原子水平上建立系統(tǒng)性的理論，他們求助于阿貢實驗室的著名科學(xué)家 Giulia Galli 教授。Awschalom 說：“系統(tǒng)建模需要編組每一個粒子間的相互作用。這種相互作用呈指數(shù)增長，Galli 教授是這一領(lǐng)域的世界頂級專家，將助力我們有效改進量子系統(tǒng)?！?/p>

Whiteley 說：“通常很難將量子信息傳送到幾微米以外（這是單股蜘蛛絲的寬度），但是該技術(shù)可以將量子信息傳送到整個芯片或晶片的每個角落。”

圖丨聲學(xué)芯片用于發(fā)射和控制聲波（來源：Kevin Satzinger）

該研究的另一位共同第一作者、博士后研究員 Gary Wolfowicz 說：“研究結(jié)果為我們提供了控制量子系統(tǒng)的新方法，拓寬了量子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域（例如量子傳感）。”

這項研究可謂是芝加哥大學(xué)量子信息科學(xué)與工程專業(yè)的又一重要發(fā)現(xiàn)。Awschalom 教授目前正在主持另一個項目——在阿貢實驗室和費米實驗室之間建立一個量子信息遠程傳送網(wǎng)絡(luò)，以研究量子通信系統(tǒng)無法被破解的機理。