伊丽莎白Goldschmidt:创建量子记忆

有一个以上的争论一个光子。

每一天,人们把光子(光的粒子),来回沟通。他们传递的信息编码作为光模式,是否将无线拨号,输入一个地址到一个GPS装置,或发送电子邮件。

但还有另一种利用光的交流:不是通过操纵模式,而是通过利用单个光子的固有特性,其量子特性。

利用特征,只能在单个粒子的水平,科学家正在开发全新,强大的发送和接收消息的方法:量子通信。回报将层次:网络的攻击和大大加强高性能计算机之间的连接,这可能使解决世界上最棘手的问题。

研究人员等伊丽莎白Goldschmidt助理教授伊利诺伊大学香槟分校,发展各种各样的策略来管理光子量子信息的载体。

“这是一个有趣的难题,但真的很重要。量子通信的可能性是巨大的——可能改变世界,”Goldschmidt说,他也是的一员伊利诺斯州量子信息科学和技术中心,Q-NEXT,NSF混合量子体系结构和网络量子研究中心。“但这是超级困难,一团糟,这就是为什么人们调查每一个可能的方法。我们不知道什么工作最好的。”

对于她来说,Goldschmidt围住光子量子记忆。

量子位的脆弱性

量子记忆就像在你的桌面计算机内存。这个临时拘留室需要保存信息到信息传播后,当数据可以传递。

信息存储在基本单位称为量子位,类似于电脑。量子位可以编码在任意数量的方式,包括原子、电子、特殊电路——光子。

一个可行的量子存储器应该能够抓住量子位在较长一段时间里,一个艰巨的任务,因为量子信息是出了名的挑剔。量子位的一点与周围环境的互动可以扑灭编码信息。

再加上角力的挑战光子,当地物体在宇宙中。你怎么留住他们足够长的时间有用吗?他们也很容易迷路。你怎么弥补他们的任性吗?你做的这一切,他们坚持自己,不与环境互动?

Goldschmidt开始面临的难题在她在哈佛大学本科天并继续处理它作为一个全职的物理学家和教授。

“我真的很喜欢这个问题的量子信息之间来回的东西,光量子件轻松事接口,“Goldschmidt说。“我们想做这个,可以建造和改造成系统。要做到这一点,我需要找到一个方法来得到这个光子一些网站而不失去它,然后读到一些系统没有测量它,这样做,我可以读出来在稍后的时间。”

在稀土保存记忆

作为的一部分Q-NEXT能源部国家量子信息科学研究中心由美国能源部的阿贡国家实验室,Goldschmidt调查稀土原子量子记忆,金库的量子信息。

稀土原子电子安排,使他们的信息存储。(见71原子序数58通过周期表。)他们特别有用时量子位组件嵌入晶体。

编码进入光子晶体结构和端口信息(由于量子物理学的特殊特性)稀土原子。原子反过来保护电子能级的信息作为一个特定的配置。光子和原子避免破坏量子信息的交互类型,允许它存储和检索。

在他们追求完美的量子位进行存储,Goldschmidt和她的团队正在识别和发展新的crystal-and-rare-earth-atom组合,跟踪他们如何应对的光子,评估他们的记忆存储能力,并改善它们。

这是一个挑剔的任务。如果稀土原子在晶体放置得太近,他们相互干扰,扰乱编码信息。如果他们太遥远了,原子拉伸应变晶体在每个站点不同,破坏的规律需要量子信息。

“我们试图击中甜蜜点,“Goldschmidt说。“我们想要找到的材料工作,把它们变成一个较低的量子记忆障碍。可以让我们更紧凑,寿命更长,更高效的量子存储器比现在你可以。”

被困离子对于今天的通信

Goldschmidt和她的团队还与捕获离子量子位作为NSF的一部分混合量子体系结构和网络研究所,国家科学基金会飞跃挑战。

离子是剥夺了一个或多个电子的原子。科学家可以利用激光和电极离子陷阱——让他们——他们漂浮在真空中。离子与量子信息编码和诱导信息分成一个光子。

被困离子目前量子计算技术的主要平台之一。

“一个原子在真空几乎是一个完美的量子系统。它有漂亮的,美丽的,离散的原子能的水平。它可以保持更长时间的信息,因为它不是与环境互动,”Goldschmidt说。

但它也有自己的挑战,。一方面,光子捕获离子吐出来是错误的颜色对于今天的光纤网络。电信设备红外光谱发射光子。但常用的离子量子位发出的光子通常是蓝色的,蓝色波长要短,在光纤光子不会走太远。

“就好了如果光子的波长光在光纤经验最少的损失,我们可以使用标准的光学组件,“Goldschmidt说。

她和其他HQAN合作者正在开发一种蓝色光子转换成红色。光学系统吸收适量的蓝色光子的能量,将它转换成一个兼容的红外光子今天的电信网络。

量子操场

“我们真的有一个操场,我们可以调查的缺点和利益不同的材料,“Goldschmidt说。”而不是依赖于材料我们知道存在,我们应该继续努力做出新的,让他们更好的——开发量子位基于我们想要的,不是我们。”

在量子操场上需要各种各样,Goldschmidt的实验室是一个电气工程师、材料科学家、机械工程师和物理学家。

“我们真的坐在科学和工程的边界,”Goldschmidt说。

她和她的学生在发现的喜悦。除了你的教学1000人intro-to-physics类,她吸引人们通过外联工作,如对科学感兴趣新利国际会议在物理学本科女性,美国物理学会主办的。今年春天,她帮助组织区域会议,举行。

她也是的一员开放量子倡议总部在芝加哥量子交换。主动冠军多样性,股票和包含在量子科学,和Goldschmidt帮助开发其本科奖学金计划,旨在推进职业和种族和族裔群体成员历史研究机会量子科学领域的弱势。

在她的实验室中,Goldschmidt监督研究生和本科生。在实验室学生产生兴趣是很重要的,她说。当他们将学习描述量子现象的方程,在教室里,在操场上是不可替代的试验。

“量子信息、量子力学实际背后,写下这些系统是很容易的,”Goldschmidt说。“当你试图在实验室里,你会发现这些新效果。探索这些边界,我们的玩具模型系统运行与我们实际已经在实验室里——那是我最喜欢的事情。”

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