Studerende ingeniører en interaktion mellem to qubits ved hjælp af fotoner

I en verden af ​​kvantecomputere, interaktion er alt.

For at computere overhovedet kan fungere, bits - dem og nuller, der udgør digital information - skal kunne interagere og aflevere data til behandling. Det samme gælder for kvantebits, eller qubits, der udgør kvantecomputere.

Men den interaktion skaber et problem - i ethvert system, hvor qubits interagerer med hinanden, de har også en tendens til at ville interagere med deres omgivelser, resulterer i qubits, der hurtigt mister deres kvantenatur.

For at komme uden om problemet, Graduate School of Arts and Sciences Ph.D. studerende Ruffin Evans vendte sig mod partikler, der mest kendt for deres mangel på interaktioner - fotoner.

Arbejder i laboratoriet af Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett professor i fysik og meddirektør for Quantum Science and Engineering Initiative, Evans er hovedforfatter af en undersøgelse, beskrevet i journalen Videnskab , der demonstrerer en metode til at konstruere en interaktion mellem to qubits ved hjælp af fotoner.

"Det er ikke svært at konstruere et system med meget stærke interaktioner, men stærke interaktioner kan også forårsage støj og interferens gennem interaktion med omgivelserne, " sagde Evans. "Så du er nødt til at gøre miljøet ekstremt rent. Dette er en kæmpe udfordring. Vi opererer i et helt andet regime. Vi bruger fotoner, som har svag vekselvirkning med alt."

Evans og kolleger begyndte med at skabe to qubits ved hjælp af silicium-tomgangscentre - urenheder i atom-skala i diamanter - og anbringe dem i en enhed i nanoskala kendt som et fotonisk krystalhulrum, som opfører sig som to modstående spejle.

"Chancen for, at lys interagerer med et atom i en enkelt passage kan være meget, meget lille, men når lyset hopper omkring 10, 000 gange, det vil næsten helt sikkert ske, " sagde han. "Så et af atomerne kan udsende en foton, og det vil hoppe rundt mellem disse spejle, og på et tidspunkt, det andet atom vil absorbere fotonen."

Overførslen af ​​den foton går ikke kun én vej, selvom.

"Fotonen udveksles faktisk flere gange mellem de to qubits, " sagde Evans. "Det er som om de spiller varm kartoffel; qubits sender det frem og tilbage."

Selvom ideen om at skabe interaktion mellem qubits ikke er ny - forskere har formået bedriften i en række andre systemer - er der to faktorer, der gør den nye undersøgelse unik, sagde Evans.

"Det vigtigste fremskridt er, at vi opererer med fotoner ved optiske frekvenser, som normalt er meget svagt interagerende, " sagde han. "Det er præcis derfor, vi bruger fiberoptik til at transmittere data - du kan sende lys gennem en lang fiber med stort set ingen dæmpning. Så vores platform er især spændende til langdistance kvantecomputere eller kvantenetværk."

Og selvom systemet kun fungerer ved ultralave temperaturer, Evans sagde, at det er mindre komplekst end tilgange, der kræver komplicerede systemer med laserkøling og optiske fælder for at holde atomer på plads. Fordi systemet er bygget på nanoskala, han tilføjede, det åbner muligheden for, at mange enheder kan placeres på en enkelt chip.

"Selvom denne form for interaktion er blevet realiseret før, det er ikke blevet realiseret i solid state-systemer i det optiske domæne, " sagde han. "Vores enheder er bygget ved hjælp af halvlederfremstillingsteknikker. Det er let at forestille sig at bruge disse værktøjer til at skalere op til mange flere enheder på en enkelt chip."

Evans forestiller sig to hovedretninger for fremtidig forskning. Den første involverer udvikling af måder at udøve kontrol over qubits og opbygning af en komplet suite af kvanteporte, der ville tillade dem at fungere som en brugbar kvantecomputer.

"Den anden retning er at sige, at vi allerede kan bygge disse enheder, og tage information, læs det ud af enheden og læg det i en optisk fiber, så lad os tænke på, hvordan vi skalerer dette op og faktisk bygger et rigtigt kvantenetværk over afstande på menneskelig skala, " sagde han. "Vi forestiller os ordninger til at bygge forbindelser mellem enheder på tværs af laboratoriet eller på tværs af campus ved hjælp af de ingredienser, vi allerede har, eller ved at bruge næste generations enheder til at realisere et småskala kvantenetværk."

Ultimativt, Evans sagde, arbejdet kan have vidtrækkende indvirkninger på fremtidens databehandling.

"Alt fra et kvanteinternet til kvantedatacentre vil kræve optiske forbindelser mellem kvantesystemer, og det er den brik i puslespillet, som vores arbejde er meget velegnet til, " han sagde.

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.