MIT のエンジニアが原子核を「キュービット」として制御する新しい方法を発見

研究者は、レーザーを使用して、量子情報を保存できる原子核のスピン特性を制御する方法を発見しました。

コンピューターやセンサーなどの量子ベースのデバイスは、従来のデジタル技術を大幅に凌駕することで、複雑なタスクを実行する方法に革命をもたらす可能性を秘めています。ただし、テクノロジー企業、学術機関、および政府の研究所による多額の投資にもかかわらず、実用的な量子ベースのデバイスの開発は依然として大きな課題です。

現在利用可能な最大の量子コンピューターには、デジタル ビットに相当する数百の「量子ビット」しか搭載されていません。

現在、MITの研究者は、キュービットを作成し、それらを制御してデータを読み書きするための新しいアプローチを提案しています。現段階では理論的な方法ですが、わずかに異なる色の2つのレーザーからの光ビームを使用して、原子核のスピンを測定および制御することに基づいています。この調査結果は、Physical Review X 誌に掲載された論文で説明されています。この論文は、MIT博士課程の学生 Haowei Xu、Ju Li 教授、Paola Cappellaro 教授、および他の 4 人によって書かれました。

核スピンは、量子ベースの情報処理および通信システムの潜在的な構成要素として長い間認識されてきました。また、電磁放射の離散パケットまたは「量子」である素粒子である光子も同様です。しかし、原子核と光子はほとんど相互作用せず、固有振動数が 6 ～ 9 桁異なるため、これら 2 つの量子オブジェクトを一緒に機能させることは困難でした。

MITチームが開発した新しいプロセスでは、入射レーザービームの周波数の差が核スピンの遷移周波数と一致し、核スピンを特定の方向に反転させる.

「私たちは、核スピンをレーザーからの光学光子と接続するための斬新で強力な方法を発見しました」と、核科学および工学の教授であるカペラロは言います。「この新しい結合メカニズムにより、それらの制御と測定が可能になり、核スピンをキュービットとして使用することが、より有望な試みになります。」

このプロセスは完全に調整可能であると研究者は述べています。たとえば、レーザーの 1 つを既存の通信システムの周波数に合わせて調整することで、核スピンを量子リピータに変えて、長距離量子通信を可能にすることができます。

核スピンに影響を与えるために光を使用する以前の試みは間接的であり、代わりにその核を取り囲む電子スピンに結合し、磁気相互作用を介して核に影響を与えました。しかし、これには近くに不対電子スピンが存在する必要があり、核スピンに追加のノイズが発生します。新しいアプローチのために、研究者は、多くの核が電気四重極を持っているという事実を利用しました。これは、環境との電気核四重極相互作用につながります。この相互作用は、核自体の状態を変化させるために光の影響を受ける可能性があります。

「通常、核スピンはかなり弱く相互作用しています」と Li は言います。「しかし、一部の核が電気四重極を持っているという事実を利用することで、中間の電子スピンなしで、核スピンに直接結合するこの 2 次の非線形光学効果を誘発することができます。これにより、核スピンを直接操作することができます。」

とりわけ、これにより、材料の同位体の正確な識別とマッピングさえ可能になりますが、類似の物理学に基づく確立された方法であるラマン分光法は、材料の化学と構造を識別できますが、同位体は識別できません。この能力には多くの応用が考えられる、と研究者は言う。

量子メモリに関しては、現在量子コンピューティングに使用されている、または検討されている典型的なデバイスにはコヒーレンス時間 (保存された情報が確実に元の状態に保たれる時間を意味する) があり、これはほんの数分の 1 秒で測定される傾向があります。しかし、核スピン系では、量子コヒーレンス時間は時間単位で測定されます。

光子は光ファイバーネットワークを介した長距離通信に使用されるため、これらの光子を量子メモリまたはセンシングデバイスに直接結合する機能は、新しい通信システムに大きな利点をもたらす可能性があるとチームは述べています。さらに、この効果を使用して、ある波長セットを別の波長セットに変換する効率的な方法を提供できます。「マイクロ波光子と光学光子の変換に核スピンを使用することを考えています」と Xu 氏は述べ、これにより、他の方法よりも高い忠実度で変換を行うことができると付け加えた。

これまでのところ、作業は理論的なものであるため、次のステップは実際の実験装置、おそらくまず分光システムでコンセプトを実装することです。「これは、原理を証明する実験の良い候補になるかもしれません」と Xu は言います。その後、メモリや変換効果などの量子デバイスに取り組む予定だという。

参照: 「光核四重極効果に基づく核スピンの 2 光子界面」Haowei Xu、Changhao Li、Guoqing Wang、Hua Wang、Hao Tang、Ariel Rebekah Barr、Paola Cappellaro、Ju Li 著、2023 年 2 月 14 日、Physical Review X . DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011017

（リスト：https://scitechdaily.com/mit-engineers-discover-a-new-way-to-control-atomic-nuclei-as-qubits/）