Nye kvantetilstande for bedre kvanteminder

Hvordan kan kvanteoplysninger gemmes så længe som muligt? Et vigtigt skridt fremad i udviklingen af ​​kvantehukommelser er opnået af et forskerhold fra TU Wien.

Konventionelle minder, der bruges i nutidens computere, skelner kun mellem bitværdierne 0 og 1. I kvantefysik, imidlertid, vilkårlige superpositioner af disse to stater er mulige. De fleste ideer til nye kvanteteknologiske enheder er afhængige af dette "Superpositionsprincip". En af de største udfordringer ved brug af sådanne tilstande er, at de normalt er kortvarige. Kun i en kort periode kan information pålideligt læses ud af kvantehukommelser, derefter er det uopretteligt.

Et forskerhold på TU Wien har nu taget et vigtigt skridt fremad i udviklingen af ​​nye kvantelagringskoncepter. I samarbejde med den japanske telegigant NTT, de wienerske forskere med Johannes Majer i spidsen arbejder på kvanteminder baseret på nitrogenatomer og mikrobølger. Nitrogenatomer har lidt forskellige egenskaber, hvilket hurtigt fører til tab af kvantetilstand. Ved specifikt at ændre en lille del af atomerne, man kan bringe de resterende atomer i en ny kvantetilstand, med en livstidsforøgelse på mere end en faktor ti. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur fotonik .

Kvælstof i diamant

"Vi bruger syntetiske diamanter, hvor individuelle nitrogenatomer er implanteret", forklarer projektleder Johannes Majer fra Institute of Atomic and Subatomic Physics i TU Wien. "Kvantetilstanden for disse nitrogenatomer er koblet til mikrobølger, resulterer i et kvantesystem, hvor vi gemmer og læser information. "

Imidlertid, lagringstiden i disse systemer er begrænset på grund af den inhomogene udvidelse af mikrobølgeovergangen i nitrogenatomer i diamantkrystallen. Efter cirka et halvt mikrosekund, kvantetilstanden kan ikke længere læses pålideligt, det faktiske signal går tabt. Johannes Majer og hans team brugte et koncept kendt som "spektral hulbrænding", gør det muligt at lagre data i det optiske område af inhomogent udvidede medier, og tilpassede den til overledende kvantekredsløb og spin-kvantehukommelser.

Dmitry Krimer, Benedikt Hartl og Stefan Rotter (Institut for Teoretisk Fysik, TU Wien) har i deres teoretiske arbejde vist, at sådanne stater, som stort set er afkoblet fra den forstyrrende støj, findes også i disse systemer. "Tricket er at manøvrere kvantesystemet ind i disse holdbare tilstande gennem specifik manipulation, med det formål at gemme oplysninger der, "forklarer Dmitry Krimer.

Eksklusive specifikke energier

"Overgangsområderne i nitrogenatomerne har lidt forskellige energiniveauer på grund af de lokale egenskaber ved den ikke helt perfekte diamantkrystal", forklarer Stefan Putz, den første forfatter til undersøgelsen, der siden er flyttet fra TU Wien til Princeton University. "Hvis du bruger mikrobølger til selektivt at ændre et par nitrogenatomer, der har meget specifikke energier, du kan oprette et "Spectral Hole". De resterende nitrogenatomer kan derefter bringes i en ny kvantetilstand, en såkaldt "mørk tilstand", i midten af ​​disse huller. Denne tilstand er meget mere stabil og åbner op for helt nye muligheder. "

"Vores arbejde er et" principbevis " - vi præsenterer et nyt koncept, vise at det virker, og vi vil lægge grundlaget for yderligere udforskning af innovative operationelle protokoller for kvantedata, ”siger Stefan Putz.

Med denne nye metode, levetiden for kvantetilstande i det koblede system af mikrobølger og nitrogenatomer steg med mere end en størrelsesorden til omkring fem mikrosekunder. Dette er stadig ikke meget i standarden i hverdagen, men i dette tilfælde er det tilstrækkeligt til vigtige kvanteteknologiske anvendelser. "Fordelen ved vores system er, at man kan skrive og læse kvanteinformation inden for nanosekunder, "forklarer Johannes Majer." Et stort antal arbejdstrin er derfor mulige i mikrosekunder, hvor systemet forbliver stabilt. "