Lys bruges til at detektere kvanteinformation lagret i 100, 000 nukleare kvantebits

Forskere har fundet en måde at bruge lys og en enkelt elektron til at kommunikere med en sky af kvantebits og fornemme deres adfærd, gør det muligt at detektere en enkelt kvantebit i en tæt sky.

Forskerne, fra University of Cambridge, var i stand til at injicere en 'nål' af meget skrøbelig kvanteinformation i en 'høstak' på 100, 000 kerner. Brug af lasere til at styre en elektron, forskerne kunne så bruge den elektron til at kontrollere høstakkens adfærd, gør det nemmere at finde nålen. De var i stand til at detektere 'nålen' med en præcision på 1,9 dele pr. million:høj nok til at detektere en enkelt kvantebit i dette store ensemble.

Teknikken gør det muligt at sende meget skrøbelig kvanteinformation optisk til et nuklear system til opbevaring, og for at verificere dets aftryk med minimal forstyrrelse, et vigtigt skridt i udviklingen af ​​et kvanteinternet baseret på kvantelyskilder. Resultaterne er rapporteret i journalen Naturfysik .

De første kvantecomputere - som vil udnytte subatomære partiklers mærkelige opførsel til langt at overgå selv de mest kraftfulde supercomputere - er i horisonten. Imidlertid, at udnytte deres fulde potentiale vil kræve en måde at netværke dem på:et kvanteinternet. Lyskanaler, der transmitterer kvanteinformation, er lovende kandidater til et kvanteinternet, og i øjeblikket er der ingen bedre kvantelyskilde end halvlederkvanteprikken:bittesmå krystaller, der i det væsentlige er kunstige atomer.

Imidlertid, én ting står i vejen for kvanteprikker og et kvanteinternet:evnen til midlertidigt at gemme kvanteinformation på mellemstationer langs netværket.

"Løsningen på dette problem er at gemme den skrøbelige kvanteinformation ved at skjule den i skyen med 100, 000 atomkerner, som hver kvanteprik indeholder, som en nål i en høstak, " sagde professor Mete Atatüre fra Cambridges Cavendish Laboratory, der ledede forskningen. "Men hvis vi forsøger at kommunikere med disse kerner, som vi kommunikerer med bits, de har en tendens til at "vende" tilfældigt, skabe et støjende system."

Skyen af ​​kvantebits indeholdt i en kvanteprik virker normalt ikke i en kollektiv tilstand, gør det til en udfordring at få information ind eller ud af dem. Imidlertid, Atatüre og hans kolleger viste i 2019, at når de blev afkølet til ultralave temperaturer også ved hjælp af lys, disse kerner kan fås til at lave 'kvantedanse' i forening, reducerer mængden af ​​støj i systemet markant.

Nu, de har vist endnu et grundlæggende skridt hen imod lagring og genfinding af kvanteinformation i kernerne. Ved at kontrollere den kollektive tilstand af de 100, 000 kerner, de var i stand til at detektere eksistensen af ​​kvanteinformationen som en 'flipped quantum bit' med en ultrahøj præcision på 1,9 dele pr. million:nok til at se en enkelt bit vende i skyen af ​​kerner.

"Teknisk er dette ekstremt krævende, " sagde Atatüre, som også er Fellow of St John's College. "Vi har ikke en måde at 'tale' til skyen på, og skyen har ikke en måde at tale til os på. Men det, vi kan tale med, er en elektron:vi kan kommunikere med den ligesom en hund, der besætter får."

Ved at bruge lyset fra en laser, forskerne er i stand til at kommunikere med en elektron, som derefter kommunikerer med spins, eller iboende vinkelmomentum, af kernerne.

Ved at tale med elektronen, det kaotiske ensemble af spin begynder at køle af og samler sig omkring hyrdeelektronen; ud af denne mere ordnede tilstand, elektronen kan skabe spin-bølger i kernerne.

"Hvis vi forestiller os vores sky af spins som en flok på 100, 000 får bevæger sig tilfældigt, et får, der pludselig skifter retning, er svært at se, " sagde Atatüre. "Men hvis hele flokken bevæger sig som en veldefineret bølge, så bliver et enkelt får, der skifter retning, meget mærkbart."

Med andre ord, indsprøjtning af en spin-bølge lavet af et enkelt nuklear spin-flip i ensemblet gør det lettere at opdage et enkelt nuklear spin-flip blandt 100, 000 nukleare spins.

Ved at bruge denne teknik, forskerne er i stand til at sende information til kvantebitten og 'lytte med' på, hvad spins siger med minimal forstyrrelse, ned til den fundamentale grænse sat af kvantemekanikken.

"Efter at have udnyttet denne kontrol- og sanseevne over dette store ensemble af kerner, vores næste skridt vil være at demonstrere lagring og genfinding af en vilkårlig kvantebit fra det nukleare spinregister, " sagde co-first forfatter Daniel Jackson, en ph.d. studerende ved Cavendish Laboratory.

"Dette trin vil fuldende en kvantehukommelse forbundet med lys - en vigtig byggesten på vejen til at realisere kvanteinternettet, " sagde medforfatter Dorian Gangloff, forskningsstipendiat ved St John's College.

Udover dets potentielle brug for et fremtidigt kvanteinternet, teknikken kunne også være nyttig i udviklingen af ​​solid-state kvanteberegning.