I et fremskridt for kvanteteknologier har forskere ved Cavendish Laboratory, University of Cambridge, skabt et funktionelt kvantegister ved hjælp af atomerne inde i en halvlederkvanteprik.
Offentliggjort i Naturfysikdemonstrerer værket introduktionen af en ny type optisk forbundet qubits – et kritisk fremskridt i udviklingen af kvantenetværk, hvor stabile, skalerbare og alsidige kvanteknudepunkter er vigtige.
Kvantepunkter er nanoskala -objekter med unikke optiske og elektroniske egenskaber, der kommer fra kvantemekaniske effekter. Disse systemer bruges allerede i teknologier som displayskærme og medicinsk billeddannelse, og deres vedtagelse i kvantekommunikation har hovedsageligt været på grund af deres evne til at fungere som lyse enkeltfotonkilder.
Imidlertid har effektive kvantenetværk brug for mere end blot enkeltfotonemission; De kræver også stabile qubits, der kan interagere med fotoner og gemme kvanteinformation lokalt. Den nye forskning bygger på de iboende spins af atomerne, der danner kvantepunkterne som et fungerende mange-krops kvantegister til at gemme information over længere perioder.
Et mange-kropssystem henviser til en samling af interagerende partikler-her, nukleare spins inde i kvanteprikken-hvis kollektiv opførsel giver anledning til nye, nye egenskaber, der ikke er til stede i individuelle komponenter. Ved at bruge disse kollektive stater oprettede forskerne et robust og skalerbart kvantegister.
Cambridge -teamet forberedte i tæt samarbejde med kolleger ved University of Linz med succes 13.000 nukleare spins i en kollektiv, sammenfiltrede stat af spins kendt som en “mørk stat.” Denne mørke tilstand reducerer interaktionen med sit miljø, hvilket fører til bedre sammenhæng og stabilitet og fungerer som den logiske “nul” tilstand i kvantegisteret.
De introducerede en komplementær “en” tilstand som en enkelt nuklear magnon-excitation-et fænomen, der repræsenterer en sammenhængende bølge-lignende excitation, der involverer en enkelt nuklear spin-flip, der forplantes gennem atomensemblet. Sammen gør disse stater muliggjort kvanteoplysninger, der kan skrives, opbevares, hentes og læses med høj tro.
Forskerne demonstrerede dette med en komplet operationel cyklus og opnåede en opbevaringsfidelitet på næsten 69% og en sammenhængstid, der overstiger 130 mikrosekunder. Dette er et stort skridt fremad for kvantepunkter som skalerbare kvanteknuder.
“Dette gennembrud er et vidnesbyrd om den magt, som mange-kropsfysik kan have til at transformere kvanteenheder,” sagde Mete Atatüre, co-lead forfatter af undersøgelsen og professor i fysik på Cavendish Laboratory.
“Ved at overvinde mangeårige begrænsninger har vi vist, hvordan kvantepunkter kan tjene som multi-qbit-knudepunkter, der baner vejen for kvantenetværk med applikationer i kommunikation og distribueret computing. I det internationale årlige kvanteår fremhæver dette arbejde også det Innovative skridt, der blev gjort på Cavendish Laboratory for at realisere løftet om kvanteteknologier. “
Arbejdet repræsenterer et unikt ægteskab med halvlederfysik, kvanteoptik og kvanteinformationsteori. Forskerne anvendte avancerede kontrolteknikker til at polarisere nukleare spins i galliumarsenid (GaAs) kvanteprikker, hvilket skabte et lavt støj-miljø til robuste kvanteoperationer.
“Ved at anvende kvante feedback-teknikker og udnytte den bemærkelsesværdige ensartethed af GaAs kvantepunkter, har vi overvundet mangeårige udfordringer forårsaget af ukontrollerede nukleare magnetiske interaktioner,” forklarede Dorian Gangloff, co-leder forfatter af projektet og lektor i kvanteteknologi.
“Dette gennembrud etablerer ikke kun kvantepunkter som operationelle kvanteknudepunkter, men låser også en kraftfuld platform til at udforske ny body-fysik og nye kvantefænomener.”
Når man ser fremad, sigter Cambridge -teamet at forlænge den tid, deres kvantegister kan gemme information til titusinder af millisekunder ved at forbedre deres kontrolteknikker. Disse forbedringer ville gøre kvantepunkter egnede som mellemliggende kvantehukommelser i kvanterepeatere – kritiske komponenter til at tilslutte fjerne kvantecomputere.