把量子科学家放在驾驶员座位上

能源部橡树岭国家实验室的科学家正在进行基础物理研究，这将导致对汞量子系统和材料的更多控制。他们的研究将推动量子计算，传感，仿真和材料开发的进步。

研究人员的实验结果最近发表在Physical Review B Rapid Communication and Optics Letters上。

量子信息被认为是脆弱的，因为它在编码的系统与其环境相互作用时会丢失，这个过程称为耗散。ORNL的计算和计算科学与物理科学理事会和范德比尔特大学的科学家们合作开发了一些方法，帮助他们控制或驱动量子系统固有的“泄漏”耗散行为。

“我们的目标是开发实验平台，使我们能够探测和控制材料中的量子相干动力学，”ORNL量子信息科学小组量子传感团队的研究科学家Benjamin Lawrie说。“要做到这一点，你通常必须能够理解纳米级的情况。”

从量子信息科学，纳米科学和电子显微镜的角度来看，科学家利用现有的物质知识和光与声的物理学来研究纳米结构的量子性质 - 这种结构的测量值约为十亿分之一米。

一个项目专注于用等离子体激发纳米金刚石中的氮空位中心缺陷。当氮原子代替典型的碳原子形成，与无原子空位相邻时，产生天然存在的缺陷。正在研究这些缺陷以用于纠缠测试，这种状态将允许在量子系统中编码比用经典计算实现的信息更多的信息。

电子产生电场。当电子束被施加到材料上时，材料的电子被激励运动 - 一种称为激发的状态 - 产生可以被检测为光的磁场。利用等离子体技术，可以轻松地与光耦合的电子激发，使科学家们能够检测纳米尺度的电磁场。

通过国防科学与工程研究生奖学金项目和量子传感团队成员，范德比尔特大学研究生马尔德费尔德曼使用高能电子束激发金刚石纳米粒子中的氮空位中心，发光。然后，他使用了ORNL材料科学与技术部门所拥有的阴极发光显微镜，该部门测量辐射材料中的可见光谱发光，收集发射的光子并表征纳米金刚石内氮空位中心，等离子体和振动之间的高速相互作用。

在其他研究中，ORNL纳米材料科学中心的博士后研究员Jordan Hachtel使用阴极发光显微镜激发金纳米螺旋体中的等离子体。他探索了如何利用螺旋的几何形状将能量聚焦在纳米级系统中。Andy Lupini作为显微镜顾问服务于该项目，提供有关设备优化和故障排除的专业知识。

在ORNL量子信息科学小组的研究科学家Eugene Dumitrescu研究的模型中，需要精确控制纳米级能量转移，以实现长期纠缠。Dumitrescu的研究发表在2017年末的物理评论A中，表明费尔德曼收集的光子统计数据可用于计算以显示纠缠。

“这项工作推进了我们对如何控制光物质相互作用的认识，提供了先前通过模拟描述的现象的实验证据，”Lawrie说。

封闭系统，其中量子信息可以远离其周围环境，理论上可以防止耗散，但现实世界的量子系统可能会受到导致信息泄漏的众多影响。

“讨论量子系统的房间里的大象是退相干，”费尔德曼说。“如果我们能够模拟环境来影响量子系统的工作方式，我们就可以实现纠缠。”

杜米特雷斯库同意了。“我们知道量子系统将会泄漏。一种补救措施是驱动它们，”他说。“我们正在探索的驱动机制抵消了耗散的影响。”

Dumitrescu使用乐器的类比来解释研究人员控制量子系统的尝试。“如果你拔出一把小提琴弦，就能听到声音，但它开始通过环境，空气消散，”他说。“但是，如果你慢慢地将琴弦拉过琴弦，你会得到更稳定，更持久的声音。你已经控制了系统。”

费尔德曼认为这对于量子物理学家来说是非常迷人的时代，因为量子计算领域与20世纪中期的经典计算处于同一阶段。“最令我兴奋的是当前的研究如何改变我们对量子系统和材料的理解，”他说。