Un truco de magia tradicional podría permitir la computación cuántica

La computación cuántica puede resolver problemas que son difíciles para los sistemas informáticos tradicionales. Puede parecer magia. Un paso hacia el logro de la computación cuántica es como un truco de mago: picos. Un nuevo proyecto en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. Intentará este truco levantando una partícula microscópica en una cavidad de radiofrecuencia superconductora (SRF) para observar fenómenos cuánticos.

Normalmente, en el laboratorio de Jefferson y otras instalaciones de aceleradores de partículas, las cavidades SRF permiten estudios del núcleo atómico. Lo hacen acelerando partículas subatómicas, como los electrones. Este proyecto utilizará el mismo tipo de cavidad Alternativamente, levantar una partícula microscópica de metal, entre 1 y 100 μm de diámetro, con el campo eléctrico de la cavidad.

«Nadie ha suspendido intencionalmente una partícula en un campo eléctrico en el vacío utilizando cavidades SRF», dijo Drew Weisenberger, investigador principal de este proyecto, así como director de tecnología y jefe del grupo de detectores radiográficos e imágenes en el experimento. Departamento de Física Nuclear del Laboratorio Jefferson.

Si el equipo del proyecto pudiera levitar la partícula, entonces podría transferirle un estado cuántico enfriando la partícula atrapada al nivel de energía más bajo posible (porque ahí es cuando ocurren las propiedades cuánticas).

dijo Pashupati Dhakal, otro investigador principal del proyecto y científico del equipo en el Laboratorio Jefferson en la División de Operaciones, Investigación y Desarrollo del Acelerador. «Queremos saber si podemos atrapar y levantar las partículas dentro de la cavidad usando el campo eléctrico».

Exploración cuántica con cavidades de acelerador

La idea de este proyecto surgió de las observaciones de expertos en aceleradores. Creen que ya han levantado inadvertidamente nanopartículas metálicas raras y no deseadas, como el niobio y el hierro, en las cavidades del SRF durante las operaciones del acelerador de partículas. Sospechan que esta elevación involuntaria afectó el rendimiento de los componentes de la cavidad SRF.

Los investigadores están tratando de utilizar una técnica de varias décadas llamada «atrapamiento láser», como un paso hacia la transferencia confiable del estado cuántico a una partícula suspendida en un rayo láser. Pero el equipo del proyecto Jefferson Lab cree que las cavidades SRF pueden proporcionar una mejor herramienta para estos investigadores.

«El campo eléctrico puede ir más allá de las capacidades de atrapar el láser», dijo Weisenberger.

Las propiedades intrínsecas de las cavidades SRF superarán algunas de las limitaciones del atrapamiento láser. Las partículas levantadas en la cavidad SRF al vacío y enfriadas a temperaturas ultra frías solo interactuarán con el campo eléctrico de la cavidad y no perderán información al exterior, lo cual es importante para mantener el estado cuántico.

«Al igual que almacenar información en un chip de computadora, el estado cuántico permanecerá y no se disipará», dijo Weisenberger. Esto eventualmente puede llevar a que aparezcan aplicaciones en Estadística cuantitativa y comunicación cuántica «.

Este proyecto, titulado «Experimento y captura de nanopartículas SRF», fue financiado por el Programa de investigación y desarrollo dirigido del Laboratorio, que proporciona recursos para que el personal de Jefferson Lab realice contribuciones rápidas y significativas a problemas científicos y técnicos de misión crítica relevantes para el Laboratorio de Jefferson y el Departamento de Energía.

enfoque multidisciplinario

El proyecto fue diseñado y lanzado por Rongli Geng en octubre de 2021 antes de trasladarse al Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Ahora se ha convertido en un equipo más grande y multidisciplinario dirigido por Weisenberger y Dhakal, los actuales co-investigadores principales.

El equipo de Weisenberger está investigando la tecnología de detectores para la investigación de la física nuclear, mientras que el trabajo de Dhakal se centra en desarrollar cavidades SRF para acelerar electrones a altas velocidades. Weisenberger dice que el enfoque interdisciplinario reunirá su experiencia a medida que se ramifiquen juntos en el área menos conocida de este proyecto LDRD.

Ambos investigadores principales señalan que el proyecto avanza bien, gracias a la diligencia y la experiencia que aporta cada miembro del equipo. Los miembros del equipo incluyen a John Mawson, Frank Marhauser, Haiping Wang, Wenzi Shea, Brian Cross y Jack McKesson.

«Es un paso interesante fuera de las cosas habituales que hacemos», dijo Weisenberger. “El programa LDRD permite a los científicos e ingenieros de Jefferson Lab prescindir de una pregunta de investigación que no está directamente relacionada con lo que realmente estamos preparados para hacer, pero que aprovecha toda la experiencia que ofrecemos y es un gran recurso para beneficiar a tratar de ampliar. Eso es lo que hacemos con este proyecto, amplía ”.

Construye y prueba

Antes de invertir el proyecto en Weisenberger y Dhakal, Geng y sus colegas determinaron los parámetros requeridos de la cavidad y el campo eléctrico a través de simulaciones y cálculos.

«Tenemos todo en papel, pero tenemos que convertirlo en realidad», dijo Dhakal.

Actualmente, el equipo está preparando el experimento en la vida real.

«Tenemos que ver si lo que se simuló realmente puede suceder», dijo Weisenberger.

Primero, ensamblarán un modelo para el experimento a temperatura ambiente. Luego hacen girar helio líquido alrededor de las superficies exteriores de la cavidad para enfriarla a temperaturas superconductoras cercanas al cero absoluto.

Luego viene la parte más difícil. Deben obtener una sola micropartícula en la región correcta de la cavidad mientras la cavidad está sellada dentro de un recipiente de contención a temperaturas superconductoras, al vacío y con el campo eléctrico encendido.

«Hemos ideado una forma de lanzar de forma remota una partícula en la cavidad en condiciones experimentales, solo tenemos que probarla ahora», dijo Weisenberger. «En el mundo de la investigación y el desarrollo, a menudo no se puede hacer lo que pensaba que se podía hacer. Intentamos y probamos problemas y tenemos problemas, intentamos resolverlos y seguimos haciéndolo».

Este es un proyecto de un año con posibilidad de financiación otro año, dependiendo de cómo vayan las cosas. También es una etapa temprana, prueba de principio. El proyecto. Si finalmente tiene éxito, todavía habrá un largo camino de investigación y desarrollo antes de que los conceptos se puedan aplicar a la construcción de computadoras cuánticas. Tales computadoras requieren elevar y transmitir de manera predecible y confiable estados cuánticos en decenas a cientos de miles de partículas mucho más pequeñas.

Sin embargo, los investigadores esperan con interés los descubrimientos que esperan que permitan este estudio sobre la elevación de partículas microscópicas y la posible observación del estado cuántico.

«Soy optimista», dijo Dhakal. «De cualquier manera, resolveremos algo. El fracaso es una parte tan importante de la I + D como el éxito. Se aprende de ambos. Esencialmente, si una partícula está subiendo o no, o si podemos transferirle el estado cuántico. , es algo que no se ha hecho antes. Es muy desafiante y emocionante «.