Gennembrud i kvanteoverførsel af information mellem stof og lys

Fra stationær til flyvende qubits med hastigheder, der aldrig er nået før…. Denne bedrift, opnået af et team fra Polytechnique Montréal og Frankrigs Centre national de la recherche scientifique (CNRS), bringer os lidt tættere på den æra, hvor information overføres via kvanteprincipper.

Et papir med titlen "High-Fidelity and Ultrafast Initialization of a Hole-Spin Bound to a Te Isoelectronic Center in ZnSe" blev for nylig offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve . Skabelsen af ​​en qubit i zinkselenid, et velkendt halvledermateriale, gjort det muligt at producere en grænseflade mellem kvantefysik, der styrer stoffets adfærd på en nanometer skala og overførsel af information ved lysets hastighed, derved baner vejen til at producere kvantekommunikationsnetværk.

Klassisk fysik kontra kvantefysik

I dagens computere, klassiske fysikregler. Milliarder elektroner arbejder sammen for at udgøre en informationsbit:0, elektroner er fraværende og 1, elektroner er til stede. I kvantefysik, enkelte elektroner foretrækkes i stedet, da de udtrykker en fantastisk egenskab:elektronen kan tage værdien 0, 1 eller en hvilken som helst superposition af disse to tilstande. Dette er qubit, kvanteækvivalenten af ​​den klassiske bit. Qubits giver fantastiske muligheder for forskere.

En elektron kredser om sig selv, lidt som en snurretop. Det er spin. Ved at anvende et magnetfelt, dette spin peger op, ned, eller peger samtidigt både op og ned for at danne en qubit. Endnu bedre, i stedet for at bruge en elektron, vi kan bruge fraværet af en elektron; det er det, fysikere kalder et "hul". Ligesom sin elektron fætter, hullet har et spin, hvorfra der kan dannes en qubit. Qubits er iboende skrøbelige kvantevæsner, de har derfor brug for et særligt miljø.

Zink selenid, tellur urenheder:en verdensnyhed

Zink selenid, eller ZnSe, er en krystal, hvor atomer er præcist organiseret. Det er også en halvleder, hvor det er let med vilje at indføre tellurium-urenheder, en nær slægtning til selen i det periodiske system, hvor huller er fanget, snarere som luftbobler i et glas.

Dette miljø beskytter hullets spin - vores qubit - og hjælper med at opretholde dens kvanteinformation præcist i længere perioder; det er sammenhængstid, den tid, fysikere verden over forsøger at forlænge med alle mulige midler. Valget af zinkselenid er målrettet, da det kan give det mest støjsvage miljø af alle halvledermaterialer.

Philippe St-Jean, en doktorand på professor Sébastien Francoeurs team, bruger fotoner genereret af en laser til at initialisere hullet og registrere kvanteinformation på det. For at læse det, han ophidser hullet igen med en laser og samler derefter de udsendte fotoner. Resultatet er en kvanteoverførsel af information mellem den stationære qubit, indkodet i spin af hullet holdt fanget i krystallen, og den flyvende qubit - fotonet, som naturligvis kører med lysets hastighed.

Denne nye teknik viser, at det er muligt at oprette en qubit hurtigere end med alle de metoder, der har været brugt indtil nu. Ja, kun hundrede eller deromkring picosekunder, eller mindre end en milliarddel af et sekund, er tilstrækkelige til at gå fra en flyvende qubit til en statisk qubit, og omvendt.

Selvom denne præstation lover godt, der er meget arbejde tilbage, før et kvantenetværk kan bruges til at udføre ubetinget sikre banktransaktioner eller bygge en kvantecomputer, der er i stand til at udføre de mest komplekse beregninger. Det er den skræmmende opgave, som Sébastien Francoeurs forskerhold vil fortsætte med at tackle.