Stemmelig diamantstreng kan indeholde nøglen til kvantehukommelse

Et kvanteinternet lover fuldstændig sikker kommunikation. Men at bruge kvantebits eller qubits til at bære information kræver et radikalt nyt stykke hardware - en kvantehukommelse. Denne atomskalaenhed skal gemme kvanteinformation og konvertere den til lys for at transmittere på tværs af netværket.

En stor udfordring for denne vision er, at qubits er ekstremt følsomme over for deres miljø, selv vibrationer i nærliggende atomer kan forstyrre deres evne til at huske information. Indtil nu, forskere har stolet på ekstremt lave temperaturer til stille vibrationer, men Det er uoverkommeligt dyrt at nå disse temperaturer for store kvantenetværk.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og University of Cambridge har udviklet en kvantehukommelsesløsning, der er lige så enkel som at stemme en guitar.

Forskerne konstruerede diamantstrenge, der kan indstilles til at dæmpe et qubits miljø og forbedre hukommelsen fra tiere til flere hundrede nanosekunder, nok tid til at udføre mange operationer på en kvantechip.

"Urenheder i diamant er dukket op som lovende noder til kvantenetværk, "sagde Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af forskningen. "Imidlertid, de er ikke perfekte. Nogle former for urenheder er virkelig gode til at gemme oplysninger, men har svært ved at kommunikere, mens andre er virkelig gode kommunikatører, men lider under hukommelsestab. I dette arbejde, vi tog den sidste slags og forbedrede hukommelsen med ti gange. "

Forskningen er publiceret i Naturkommunikation .

Urenheder i diamant, kendt som silicium-ledige farvecentre, er kraftfulde qubits. En elektron fanget i midten fungerer som en hukommelsesbit og kan udsende enkeltfotoner med rødt lys, som igen ville fungere som informationsbærere over et fjernt afstand på et kvanteinternet. Men med de nærliggende atomer i diamantkrystallen, der vibrerer tilfældigt, elektronen i midten glemmer hurtigt enhver kvanteinformation, den bliver bedt om at huske.

"At være elektron i et farvecenter er som at prøve at studere på en høj markedsplads, "sagde Srujan Meesala, en kandidatstuderende på SEAS og medforfatter af papiret. "Der er al denne støj omkring dig. Hvis du vil huske noget, du skal enten bede folkemængderne om at forblive stille eller finde en måde at fokusere på støjen. Vi gjorde det sidste. "

For at forbedre hukommelsen i støjende omgivelser, forskerne huggede diamantkrystallen, der huser farvecentret, i en tynd snor, omkring en mikron bred - hundrede gange tyndere end en hårstreng - og fastgjort elektroder til hver side. Ved at anvende en spænding, diamantstrengen strækker sig og øger frekvensen af ​​vibrationer, elektronen er følsom over for, ligesom stramning af en guitarstreng øger strengens frekvens eller tonehøjde.

"Ved at skabe spænding i strengen, vi øger energiskalaen for vibrationer, som elektronen er følsom over for, hvilket betyder, at den nu kun kan mærke meget høje energivibrationer, "sagde Meesala." Denne proces vender effektivt de omgivende vibrationer i krystallen til en irrelevant baggrundsnynning, gør det muligt for elektronen inde i stillingen komfortabelt at gemme oplysninger i hundredvis af nanosekunder, hvilket kan være rigtig lang tid på kvanteskalaen. En symfoni af disse afstembare diamantstrenge kunne tjene som rygraden i et fremtidigt kvanteinternet. "

Næste, forskerne håber at udvide hukommelsen af ​​qubits til millisekund, hvilket ville muliggøre hundredtusinder af operationer og kvantekommunikation over lange afstande.