Langdistanceudveksling af kvanteinformation-succes på nanoskalaen

På Niels Bohr Institute, Københavns Universitet, forskere har indset swap af elektronspins mellem fjerne kvantepunkter. Opdagelsen bringer os et skridt tættere på fremtidige anvendelser af kvanteinformation, da de små prikker skal efterlade nok plads på mikrochippen til sarte kontrolelektroder. Afstanden mellem prikkerne er nu blevet stor nok til integration med traditionel mikroelektronik og måske, en fremtidig kvantecomputer. Resultatet opnås via et multinationalt samarbejde med Purdue University og UNSW, Sydney, Australien, nu udgivet i Naturkommunikation .

Størrelse er vigtig i udveksling af kvanteoplysninger, selv på nanometerskalaen

Quantum information kan gemmes og udveksles ved hjælp af elektron spin -tilstande. Elektronernes ladning kan manipuleres af gate-spændingsimpulser, som også styrer deres spin. Man mente, at denne metode kun kan være praktisk, hvis kvantepunkter rører hinanden; hvis de presses for tæt sammen, vil spinnene reagere for voldsomt, hvis de placeres for langt fra hinanden, vil spins interagere alt for langsomt. Dette skaber et dilemma, fordi hvis en kvantecomputer nogensinde vil se dagens lys, vi har brug for begge, hurtig centrifugering og plads nok omkring kvantepunkter til at rumme de pulserende gateelektroder.

Normalt, venstre og højre prikker i det lineære array af kvantepunkter (illustration 1) er for langt fra hinanden til at udveksle kvanteinformation med hinanden. Frederico Martins, postdoc ved UNSW, Sydney, Australien, forklarer:"Vi koder for kvanteinformation i elektronernes spin -tilstande, som har den ønskelige egenskab, at de ikke interagerer meget med det støjende miljø, gør dem nyttige som robuste og langlivede kvantehukommelser. Men når du aktivt vil behandle kvanteinformation, den manglende interaktion er kontraproduktiv - for nu vil du have, at spins skal interagere! "Hvad skal du gøre? Du kan ikke have både lang levetid og informationsudveksling - eller sådan ser det ud til." Vi opdagede det ved at placere en stor, langstrakt kvantepunkt mellem de venstre prikker og højre prikker, det kan formidle en sammenhængende bytte af spin -tilstande, inden for en milliarddel af et sekund, uden nogensinde at flytte elektroner ud af deres prikker. Med andre ord, vi har nu både hurtig interaktion og den nødvendige plads til de pulserende portelektroder ", siger Ferdinand Kuemmeth, lektor ved Niels Bohr Institutet.

Samarbejdet mellem forskere med forskellig ekspertise var nøglen til succes. Interne samarbejder fremmer konstant pålideligheden af ​​nanofabrikationsprocesser og raffinementerne ved lavtemperaturteknikker. Faktisk, på Center for Quantum Devices, store kandidater til implementering af solid-state kvantecomputere studeres i øjeblikket intensivt, nemlig halvledende spin -qubits, superledende gatemon qubits, og topologiske Majorana-qubits.

Alle er spændingsstyrede qubits, tillader forskere at dele tricks og løse tekniske udfordringer sammen. Men Kuemmeth tilføjer hurtigt, at "alt dette ville være forgæves, hvis vi ikke havde adgang til ekstremt rene halvledende krystaller i første omgang". Michael Manfra, professor i materialeteknik, er enig:"Purdue har lagt meget arbejde i at forstå de mekanismer, der fører til stille og stabile kvanteprikker. Det er fantastisk at se dette arbejde give fordele for Københavns nye qubits".

Den teoretiske ramme for opdagelsen er leveret af University of Sydney, Australien. Stephen Bartlett, professor i kvantefysik ved University of Sydney, sagde:"Hvad jeg finder spændende ved dette resultat som teoretiker, er, at det frigør os fra den begrænsende geometri af en qubit, der kun er afhængig af dens nærmeste naboer ". Hans team udførte detaljerede beregninger, giver den kvantemekaniske forklaring på den kontraintuitive opdagelse.

Samlet set, demonstrationen af ​​hurtig spin -udveksling udgør ikke kun en bemærkelsesværdig videnskabelig og teknisk bedrift, men kan have dybtgående konsekvenser for arkitekturen af ​​solid-state kvantecomputere. Årsagen er afstanden:"Hvis spins mellem ikke-nabo-qubits kan udveksles kontrollerbart, dette vil tillade realiseringen af ​​netværk, hvor den øgede qubit-qubit-forbindelse udmønter sig i et betydeligt øget beregningskvantevolumen", forudser Kuemmeth.