Quantum on the edge:Lys skinner på en ny vej til kvanteteknologi

Forskere i Australien har for første gang demonstreret beskyttelsen af ​​korrelerede tilstande mellem parrede fotoner - pakker med lysenergi - ved hjælp af det spændende fysiske begreb topologi. Dette eksperimentelle gennembrud åbner en vej til at bygge en ny type kvantebit, byggestenene til kvantecomputere.

Forskningen, udviklet i tæt samarbejde med israelske kolleger, udgives i dag i det prestigefyldte tidsskrift, Videnskab , en anerkendelse af dette arbejdes grundlæggende betydning.

"Vi kan nu foreslå en vej til at bygge robuste sammenfiltrede tilstande til logiske porte ved hjælp af beskyttede fotonerpar, "sagde hovedforfatter Dr. Andrea Blanco-Redondo ved University of Sydney Nano Institute.

Logiske porte er de switches, der er nødvendige for at betjene algoritmer skrevet til kvantecomputere. Klassiske beregningsomskiftere er i simple binære former for nul eller en. Kvantekontakter eksisterer i en tilstand af 'superposition', der kombinerer nul og en.

Beskyttelse af kvanteinformation længe nok, så kvantemaskiner kan udføre nyttige beregninger, er en af ​​de største udfordringer i moderne fysik. Nyttige kvantecomputere kræver millioner eller milliarder af qubits for at behandle oplysninger. Indtil nu, de bedste eksperimentelle enheder har omkring 20 qubits.

For at frigøre potentialet i kvanteteknologi, forskere skal finde en måde at beskytte den sammenfiltrede superposition af kvantebits - eller qubits - på nanoskalaen. Forsøg på at opnå dette ved hjælp af superledere og fangede ioner har vist løfte, men de er meget modtagelige for elektromagnetisk interferens, gør dem djævelsk vanskelige at skalere op i nyttige maskiner.

Brugen af ​​fotoner - pakker med lysenergi - frem for elektroner har været et foreslået alternativ til at bygge logiske porte, der kan beregne kvantealgoritmer.

Fotoner, i modsætning til elektroner, er godt isoleret fra det termiske og elektromagnetiske miljø. Imidlertid, skalering af kvanteenheder baseret på fotoniske qubits har været begrænset på grund af spredningstab og andre fejl; indtil nu.

"Det, vi har gjort, er at udvikle en ny gitterstruktur af silicium nanotråde, skaber en særlig symmetri, der giver usædvanlig robusthed til fotonernes korrelation. Symmetrien hjælper både med at skabe og guide disse korrelerede tilstande, kendt som 'kanttilstande', "sagde Dr. Blanco-Redondo, Messelforsker ved Fysikskolen.

"Denne robusthed stammer fra den underliggende topologi, en global egenskab af gitteret, der forbliver uændret mod uorden. "

Korrelationen, dette producerer, er nødvendig for at bygge sammenfiltrede tilstande til kvanteporte.

Kanaler, eller bølgeledere, fremstillet ved hjælp af silicium nanotråde kun 500 nanometer brede, blev parret op med en bevidst defekt i symmetri gennem midten, skabe to gitterstrukturer med forskellige topologier og en mellemliggende 'kant'.

Denne topologi giver mulighed for oprettelse af specielle tilstande, hvor fotonerne kan parres - kaldet 'kanttilstande'. Disse tilstande gør det muligt at transportere information, der bæres af de parrede fotoner på en robust måde, som ellers ville have været spredt og mistet hen over et ensartet gitter.

Dr. Blanco-Redondo designet og udførte eksperimentet i Sydney Nanoscience Hub med Dr. Bryn Bell, tidligere ved University of Sydney og nu ved University of Oxford.

Fotonerne blev skabt af højintensitet, ultrakorte laserpulser, den samme underliggende teknologi, som Donna Strickland og Gerard Mourou blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2018.

Denne forskning er den seneste i blomstring af opdagelser i det seneste årti om topologiske materielle tilstande. Disse topologiske egenskaber giver beskyttelse af klassisk og kvanteinformation på så forskellige områder som elektromagnetisme, fortættet stof, akustik og kolde atomer.

Microsoft Quantum Laboratories, herunder den i Sydney, forfølger udviklingen af ​​elektronbaserede qubits, hvor kvanteinformation er topologisk beskyttet via knytning af kvasepartikler kendt som Majorana fermioner. Dette er lidt som at flette halve elektrontilstande induceret gennem interaktion mellem superledere og halvledende metaller.

Topologisk beskyttede stater er tidligere blevet påvist for enkelte fotoner.

Imidlertid, Dr. Blanco-Redondo sagde:"Quantum informationssystemer vil stole på multiphoton-tilstande, understreger betydningen af ​​denne opdagelse for den videre udvikling. "

Hun sagde, at det næste trin vil være at forbedre beskyttelsen af ​​fotonindviklingen for at skabe robust, skalerbare kvantelogiske porte.

Professor Stephen Bartlett, en teoretisk kvantefysiker ved Sydney Nano, der ikke er forbundet med undersøgelsen, sagde:"Dr. Blanco-Redondos resultat er spændende på et grundlæggende niveau, fordi det viser eksistensen af ​​beskyttede tilstande knyttet til grænsen for et topologisk ordnet materiale.

"Hvad det betyder for kvanteberegning er uklart, da det stadig er tidlige dage. Men håbet er, at beskyttelsen, der tilbydes af disse kanttilstande, kan bruges til at beskytte fotoner mod de støjtyper, der er problematiske for kvanteprogrammer."