p Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, estão conduzindo pesquisas de física fundamental que levarão a um maior controle sobre os sistemas e materiais quânticos mercuriais. Seus estudos permitirão avanços na computação quântica, de detecção, simulação, e desenvolvimento de materiais. p Os resultados experimentais dos pesquisadores foram publicados recentemente em Revisão Física B Comunicação Rápida e Cartas de Óptica .

p A informação quântica é considerada frágil porque pode ser perdida quando o sistema no qual está codificada interage com seu ambiente, um processo chamado dissipação. Cientistas com os departamentos de Ciências Computacionais e Computacionais e Ciências Físicas do ORNL e a Universidade Vanderbilt têm colaborado para desenvolver métodos que os ajudarão a controlar - ou conduzir - o "vazamento, "comportamento dissipativo inerente aos sistemas quânticos.

p "Nosso objetivo é desenvolver plataformas experimentais que nos permitam sondar e controlar a dinâmica quântica coerente em materiais, "disse Benjamin Lawrie, um cientista pesquisador da Quantum Sensing Team no Quantum Information Science Group do ORNL. "Fazer isso, muitas vezes você precisa ser capaz de entender o que está acontecendo em nanoescala. "

p Trazendo perspectivas da ciência da informação quântica, nanociência e microscopia eletrônica, os cientistas exploram o conhecimento existente da matéria e da física da luz e do som para examinar a natureza quântica das nanoestruturas - estruturas que medem cerca de um bilionésimo de metro.

p Um projeto focou na condução de defeitos do centro de vacância de nitrogênio em nanodiamantes com plasmons. Os defeitos de ocorrência natural são criados quando um átomo de nitrogênio se forma no lugar do átomo de carbono típico, adjacente a um vazio sem átomo. Os defeitos estão sendo investigados para uso em testes de emaranhamento, um estado que permitirá que substancialmente mais informações sejam codificadas em um sistema quântico do que pode ser realizado com a computação clássica.

p Os elétrons geram um campo elétrico. Quando um feixe de elétrons é aplicado a um material, os elétrons do material são estimulados ao movimento - um estado chamado excitação - criando um campo magnético que pode então ser detectado como luz. Trabalhando com plasmons, excitações de elétrons que se acoplam facilmente com a luz, permite que os cientistas examinem os campos eletromagnéticos em nanoescala.

p Matthew Feldman, um estudante de pós-graduação da Vanderbilt University conduzindo pesquisa de doutorado no ORNL por meio do programa National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship e um membro da Quantum Sensing Team, usou um feixe de elétrons de alta energia para excitar centros de vacância de nitrogênio em nanopartículas de diamante, fazendo com que eles emitam luz. Ele então usou um microscópio de catodoluminescência de propriedade da Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL, que mede a luminescência do espectro visível em materiais irradiados, para coletar os fótons emitidos e caracterizar as interações de alta velocidade entre os centros de vacância de nitrogênio, plasmons e vibrações dentro do nanodiamante.

p Em outra pesquisa, Jordan Hachtel, um pós-doutorado no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL, usou o microscópio de catodoluminescência para excitar plasmons em nanoespirais de ouro. Ele explorou como a geometria das espirais pode ser aproveitada para focar a energia em sistemas em nanoescala. Andy Lupini serviu ao projeto como consultor de microscopia, fornecendo expertise em relação à otimização e solução de problemas de equipamentos.

p O controle preciso sobre a transferência de energia em nanoescala é necessário para permitir o emaranhamento de longa duração em um modelo explorado por Eugene Dumitrescu, um cientista pesquisador no Grupo de Ciência da Informação Quântica do ORNL. A pesquisa de Dumitrescu, publicado na Physical Review A no final de 2017, mostraram que as estatísticas de fótons coletadas por Feldman poderiam ser usadas em cálculos para mostrar o emaranhamento.

p "Este trabalho avança nosso conhecimento sobre como controlar as interações luz-matéria, fornecer prova experimental de um fenômeno que havia sido descrito anteriormente por simulações, "Lawrie disse.

p Sistemas fechados, em que a informação quântica pode ser mantida longe de seus arredores, teoricamente pode prevenir a dissipação, mas os sistemas quânticos do mundo real estão abertos a inúmeras influências que resultam em vazamento de informações.

p "O elefante na sala de discussões de sistemas quânticos é a decoerência, "Feldman disse." Se pudermos modelar um ambiente para influenciar o funcionamento de um sistema quântico, podemos permitir o emaranhamento. "

p Dumitrescu concordou. "Sabemos que os sistemas quânticos terão vazamentos. Uma solução é acioná-los, "disse ele." Os mecanismos de direção que estamos explorando cancelam os efeitos da dissipação. "

p Dumitrescu usou a analogia de um instrumento musical para explicar as tentativas dos pesquisadores de controlar os sistemas quânticos. "Se você tocar uma corda de violino, você consegue o som, mas começa a se dissipar no meio ambiente, o ar, "disse ele." Mas se você passar lentamente o arco pela corda, você fica mais estável, som mais duradouro. Você trouxe o controle para o sistema. "

p Feldman acha que estes são tempos fascinantes para os físicos quânticos porque o campo da computação quântica está na mesma fase que a computação clássica estava em meados do século XX. "O que mais me entusiasma é como a pesquisa atual pode mudar nossa compreensão dos sistemas e materiais quânticos, " ele disse.