时间:2021-11-13 11:00:07 科技前沿

量子物理研究的主要目标之一是测量由许多相互作用粒子组成的大系统的量子态。这对于量子计算机和其他量子信息处理设备的开发特别有用。

剑桥大学卡文迪什实验室的研究人员最近推出了一种测量核系综合体自旋状态的新方法,该系统由许多具有长寿命量子特性的相互作用粒子组成。这种方法发表在《自然物理学》上的一篇论文中,其工作原理是利用该系统对集体自旋激发的响应。

开展这项研究的两名研究人员克莱尔·勒·加尔(Claire Le Gall)和梅特·阿塔图雷(Mete Atatüre)告诉Phys.org:“对于一组密集的量子物体,比如自旋,不可能单独测量每个物体,以了解它们之间的相互作用。”。“相反,我们可以在集合的集体反应中寻找信号;有点像鸟群的行为可能说明了鸟群之间是如何相互作用的。我们感兴趣的系统是半导体量子点中核自旋的大群或集合。”

2002年,三位哈佛大学物理学家发现半导体量子点中的大量核自旋可能是固态量子存储器的潜在宿主,一年后发表了他们的研究成果。19年后,Le Gall、Atatüre和他们的同事使用“代理”量子位探测了这种类型的核系综,正如他们在最新论文中所报道的,这种量子位是一种电子自旋,可以同时与所有核自旋耦合。

论文第一作者多里安·甘洛夫说:“我们最近取得了一个重要的里程碑,我们证明了核系综的集体模式(即自旋波)可以通过电子相干地激发。”。“在我们的新研究中,我们开始使用这些电子激活的自旋波来改变核系综的状态并将其读出。这将证明通过电子自旋的“写入”和“读出”的基本形式。”

剑桥大学的科学家们提出的方法背后的想法是,可以被电子自旋激活的核自旋波模式的类型取决于正在研究的核系综的状态。例如,一些自旋波模式增加了系综的极化(即,所有自旋指向“上”的程度),而另一些模式则降低了极化。这两种不同类型的自旋波模式的相对强度取决于一个系综已经“指向上”或“指向下”了多少。因此,测量这两种模式可以提供关于平均每个核自旋已经指向上或向下了多少的有价值的见解,最终允许研究人员推断自旋种群。

阿塔图雷说:“但还有更多:如果核自旋事先相互作用并建立了一些相互信息,在这种情况下,这些相互信息本质上可以是量子的,那么电子作为一个与这些核一对一耦合的量子物体,将感受到这种预先存在的相互作用。”。“这改变了它可以激活的自旋波模式的强度,这就是我们的方法的独特之处。因此,结合对多个自旋波模式的测量,我们能够使用电子作为系综中原子核之间纠缠的‘见证’。”

研究人员使用“代理”电子自旋量子位观察多个身体系统的方法为探测核系综而不依赖单个自旋读数开辟了新的有趣的可能性。与先前提出的方法相比,他们的方法利用了与稠密核系综接触相互作用的代理量子比特的本机连接性,最终从这些系统中提取有趣的信息,包括它们的量子特性。

Le Gall说:“也许我们的方法可以与管弦乐队相类比,在管弦乐队中,人们可以在事先不了解每种乐器的情况下判断音乐家们是否在一起演奏得很好。”。“我们的研究还首次表明,半导体量子点(世界上最好的单光子源之一)中的核自旋系综可以承载许多自旋纠缠,因此可以用作有效连接到光的大型量子资源。”

在未来,探测核系综自旋态的新技术可能为新量子技术的发展铺平道路。研究小组现在正试图设计他们论文中所研究的量子点,以确保它们的自旋系综具有更大的相干性并表现出更多的量子特性。

“如果我们想将量子点核用于量子存储器,这将是至关重要的,”Gangloff说。“一旦我们实现了更高的一致性,特别是基于不同生长方法的新一代量子点,它显示出比迄今为止使用的量子点有百倍大的改进,我们的计划包括将原子核加工成更多的受控量子态,了解纠缠是如何丢失和保持的在这个多体系统中,并证明这种资源可以用于量子计算和量子通信。”

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