Nobel Ödülü sahibi kuantum bulmacasını 58 yıl önce çözdü! Avustralyalı araştırmacılar, anten patlaması nedeniyle yanlışlıkla "nükleer enerji rezonansını" keşfetti
58 yıl sonra, nükleer manyetik rezonansta bir öncünün vizyonu nihayet doğrulandı.
11 Mart 2020 yerel saatinde Nature, Avustralya'daki New South Wales Üniversitesi'nde (UNSW) kuantum mühendisliği bilimi profesörü Andrea Morello tarafından bir single'ın Coherent elektrik kontrolü başlıklı bir makale yayınladı. Silikonda yüksek spinli çekirdek (silikondaki yüksek spinli tek bir çekirdeğin uyumlu elektriksel kontrolü).
Lei Feng.com, bir deneydeki bir hatanın beklenmedik bir şekilde araştırma ekibinin nükleer manyetik rezonans paradigmasını sallamasına yardımcı olduğunu öğrendi (Lei Feng.com'un Notu: Geleneksel bilimlerin üzerinde çalıştığı teorik temeli ve uygulama normlarını ifade eder. Bu, belirli bir bilimle uğraşan bir grup araştırmacı için ortaktır. Kuantum bilgisayarlarda ve sensörlerde atılımlar gerçekleştirmek için dünya görüşünü ve davranış modunu takip edin.
NMR paradigması sarsıldı
Yukarıdaki makale bir "nükleer spin" kavramından bahsetti.
Sıklıkla söylediğimiz kimyasal element, belirli bir nükleer yüke sahip bir atomu ifade eder.Atom, bir çekirdek ve çekirdek etrafında hareket eden elektronlardan oluşur. Çekirdeğin spin açısal momentumu, yani çekirdeğin spin açısal momentumu aslında çekirdeğin bir özelliğidir - çekirdek protonlardan ve nötronlardan oluşur ve hem protonların hem de nötronların kendilerine ait belirli açısal momentumları vardır ve çekirdekte yörüngesel hareketleri vardır. Buna karşılık yörüngesel açısal momentum vardır, tüm bu açısal momentumların toplamı çekirdeğin açısal momentumudur.
Aslında, manyetik rezonansla nükleer spin kontrolü ve tespiti kimya, tıp, malzeme bilimi ve madencilik gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda, nükleer spin aynı zamanda erken katı hal kuantum bilgisayar önerilerinde ve kuantum arama ve ayrıştırma algoritmalarının gösterilerinde de ortaya çıktı.
Lei Feng.com, farklı manyetik özelliklere sahip maddelerin ferromanyetik rezonans, ferrimanyetik rezonans, antiferromanyetik rezonans, nükleer manyetik rezonans ve benzeri gibi belirli koşullar altında farklı manyetik rezonanslara sahip olabileceğini öğrendi.
Çoğu insan muhtemelen "MRI" yı duymuştur Günümüzde, MRI tıpta yaygın bir görüntüleme yöntemi haline gelmiştir. Aslında, nükleer manyetik rezonans teknolojisi birçok alan için çok etkilidir, ancak aynı zamanda Bazı özel uygulamalar için hala sınırlamaları vardır .
Buna dayanarak, nükleer manyetik rezonansın öncüsü ve Fizikte Nobel Ödülü sahibi Nicolaas Bloembergen, ilk olarak 1961'de tek bir çekirdeği kontrol etmek için elektrik alanlarını kullanma fikrini önerdi. Yarım asırdır bu fikir, Andrea Morello ekibi "nükleer enerji rezonansının" keşfini yakın zamanda duyurana kadar doğrulanmadı.
[Andrea Morello ekibi, görsel kaynağı UNSW resmi web sitesi]
Aslında, bu keşif nükleer manyetik rezonans paradigmasını sarsmıştır - bunun nedeni manyetik alanların oluşumunun büyük bobinler ve büyük akımlar gerektirmesidir.Etki aralıkları çok geniştir ve manyetik alanı çok küçük bir alanla sınırlamak zordur; elektrik alanları üretebilirken Küçük bir elektrotun ucu, elektrotun ucundan aniden düşebilir. Profesör Andrea Morello'nun dediği gibi:
Manyetik rezonans, bilardo masasının tamamını kaldırıp sallamak gibidir, böylece masadaki bir topu hareket ettirir. Elektrik rezonansının atılımı, bir bilardo sopasına sahip olmak ve topa doğru bir şekilde vurmak gibidir.
Laboratuar anten patlaması başarının anahtarıdır
Araştırmanın asıl amacı açısından Profesör Andrea Morello şunları söyledi:
Yarım yüzyıldan fazla bir süredir, nükleer enerji rezonansı alanı neredeyse hareketsizdi. 20 yıldır spin rezonansı üzerine çalışıyorum, aslında keşfimiz tamamen tesadüfi.
UNSW resmi web sitesine göre, araştırma ekibi başlangıçta antimon (büyük bir nükleer dönüşe sahip Sb) atomu üzerinde nükleer manyetik rezonans gerçekleştirdi. Makalenin yazarlarından Dr. Serwan Asaad şöyle açıkladı:
Asıl amacımız, kuantum dünyası ile klasik dünya arasındaki nükleer dönüşlerin kaotik davranışıyla belirlenen sınırı keşfetmekti, tamamen meraktan kaynaklanıyordu ve uygulamayı hesaba katmadı. Ama çekirdeğin tepkisi garip, bazı frekanslarda tepki vermiyor, ancak diğer frekanslarda güçlü tepki veriyor.
Araştırma ekibi manyetik rezonans değil, elektrik rezonans yaptıklarını anlayana kadar bu şüphesiz araştırma ekibini kafa karışıklığına bıraktı.
Bu nedenle araştırmacılar, antimon atomlarından ve özel bir antenden oluşan bir cihaz yarattılar.En iyi duruma getirildikten sonra cihaz, çekirdeği kontrol etmek için yüksek frekanslı bir manyetik alan oluşturdu. Deneyin çok güçlü bir manyetik alan gerektirdiği bildirildi, bu nedenle araştırmacılar antene çok fazla güç girdiler, bu nedenle anten patladı.
Leifeng.com, araştırma ekibinin deneylerinde fosfor gibi daha küçük çekirdekler kullanırsa antenin patladığını, bu da ekipmanın kullanılamayacağı ve oyunun sona erdiği anlamına geldiğini öğrendi.
Ancak bu "başarısızlık", başarının anahtarı olur Antimon çekirdeklerinin kullanılması nedeniyle, anten yok edildikten sonra güçlü bir elektrik alanı oluşturuldu ve araştırmacılar nükleer enerji rezonansını keşfetti.
Silikon kuantum bilgisayarların önünü açmak
Elektrik alanın çekirdeği kontrol etme yeteneğini kanıtladıktan sonra, araştırmacılar, elektrik alanın çekirdeğin dönüşünü nasıl doğru bir şekilde etkilediğini anlamak için mikroskobik teorik modeller kullandılar.
Spesifik olarak, yukarıdaki model, nükleer güç dört kutuplu etkileşimlerinin tamamen elektriksel modülasyonunun, kafes gerilimi nedeniyle benzersiz şekilde adreslenebilir tutarlı nükleer spin geçişlerine nasıl yol açtığını ortaya koymaktadır. Spin dephasing (Lei Feng net notu: tutarlı sinyalin hızlı bir şekilde dağılmasını ifade eder, böylece istenmeyen artık sinyal hızla zayıflatılır, böylece sonraki faydalı sinyal üzerindeki etkiyi azaltır) zaman (0.1 saniye), elektron dönüşünün bağlanmasıyla elde edilenden daha fazladır. Elektrikli tahrik yöntemi birkaç kat daha uzun sürer.
Yukarıdaki sonuçlar, yüksek dönüşlü dört kutuplu çekirdeğin tamamen elektrik kontrolü kullanılarak bir kaos modeli, gerinim sensörü ve spin mekanik hibrit kuantum sistemi olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Elektriksel olarak kontrol edilebilir çekirdeklerin kuantum noktalarına entegre edilmesi, çekirdeklere ve elektron spinine dayalı ölçeklenebilir bir silikon kuantum bilgisayarın yolunu açabilir ve salınımlı bir manyetik alana ihtiyaç duymadan çalışmasını sağlar.
Buna dayanarak, araştırma ekibi nükleer enerji rezonansının gerçek bir yerel mikroskobik fenomen olduğunu keşfetti - elektrik alanı atomik bağları çekirdeğin etrafına yeniden yönlendiriyor (Lei Feng.com'un notu: genellikle elektron çiftlerini paylaşan iki atomun oluşturduğu kimyasal bir bağı ifade eder).
Profesör Andrea Morello ayrıca şunları söyledi:
Bu keşif, artık kuantum bilgisayarları çalıştırmak için salınımlı manyetik alan olmadan tek atomların dönüşünü kullanarak inşa etmenin bir yolu olduğu anlamına geliyor. Ek olarak, bu çekirdekleri doğru elektrik ve manyetik sensörler olarak kullanmak, kuantum bilimindeki temel soruları yanıtlayabilir.
Bu yazıda, araştırma ekibi, silikon nanoelektronik cihazlarda üretilen yerel elektrik alanını kullanarak tek bir antimon çekirdeğinin tutarlı kuantum kontrolünü ayrıntılı olarak gösterdi.
[UNSW resmi web sitesinden temin edilen, silikon bir gofret içindeki tek bir antimon çekirdeğinin kuantum durumunu yerel olarak kontrol etmek için nano ölçekli elektrotların kullanılması]
Andrea Morello'nun sadece New South Wales Üniversitesi'nde kuantum mühendisliği bilimi profesörü değil, aynı zamanda New South Wales Üniversitesi'ne dayanan Sydney İleri Teknoloji Kuantum Hesaplama ve İletişim Merkezi'nin proje yöneticisi olduğunu belirtmek gerekir. Ağustos 2017'de, Avustralya'nın No. Bir kuantum hesaplama şirketi olan Silicon Quantum Computing Pty Ltd, kuantum bilgisayarların geliştirilmesini ve ticarileştirilmesini teşvik etmeyi amaçlamaktadır.
Andrea Morello'nun ekibi, Eylül 2017'de "spin flip kübitlere" dayalı bir kuantum bilgisayar yapısı icat etti. Bu buluş aynı zamanda kuantum yongalarının toplu üretim maliyetini ve zorluğunu da büyük ölçüde azalttı. ". Communications" (Nature Communications) ilgili makaleler yayınladı.
Profesör Andrea Morello ve diğerleri de şunları söyledi:
2022 yılına kadar 10 kübitlik silikon tabanlı bir entegre devre yongası geliştirmeyi planlıyoruz. Bu, dünyanın ilk silikon kuantum bilgisayarına doğru ilk adım olacak.
Referans malzemeleri:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7
https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/engineers-crack-58-year-old-puzzle-way-quantum-breakthrough
https://mp.weixin.qq.com/s/LiZIhdwSxPfJOe_4YCJ0Qw
https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html
