Forskere får fotoner til at interagere, tage et skridt i retning af langlevende kvantehukommelse

Forskere mener, at individuelle lyspartikler, eller fotoner, er ideel til at sende kvanteinformation. Kodet med kvantedata, de kunne bogstaveligt talt overføre information med lysets hastighed. Imidlertid, mens fotoner ville være gode bærere på grund af deres hastighed, de kan ikke lide at interagere med hinanden, gør det svært at opnå kvantesammenfiltring.

Et internationalt forskerhold fra NUST MISIS, russisk kvantecenter, Ioffe Institute St. Petersburg og Karlsruhe Institute of Technology har for første gang opnået eksperimentelt bevis for effektiv interaktion mellem mikrobølgefotoner via superledende qubits. Studiet, udgivet i npj Kvantematerialer , kan være et skridt mod implementeringen af ​​en langlevende kvantehukommelse og udviklingen af ​​kommercielle kvanteenheder.

I deres eksperimenter, forskerne brugte fotoner med frekvensen nogle få GHz og bølgelængden på et par centimeter.

"Vi brugte superledende alen, som dybest set er kunstige atomer, fordi de har vist sig at interagere stærkt med lys. Interaktion mellem naturlige atomer og naturligt lys er svag på grund af den lille størrelse af naturlige atomer. Superledende alen er menneskeskabte; deres størrelse kan nå op til 0,1 mm, hvilket gør det muligt at øge deres dipolmoment og polaritet markant, konstruktion af et stærkt samspil mellem lys og stof, " sagde prof. Alexey Ustinov, leder af Laboratoriet for Superledende Metamaterialer hos NUST MISIS og gruppeleder ved Russian Quantum Center, der var medforfatter til undersøgelsen.

Superledende qubits repræsenterer en førende qubit-modalitet, der i øjeblikket forfølges af industrien og den akademiske verden til kvanteberegningsapplikationer. Imidlertid, de kræver milli-Kelvin (mK) temperaturer for at fungere. Den mest kraftfulde af de eksisterende superledende kvanteenheder indeholder under 100 qubits. Når du tilføjer qubits, antallet af operationer en kvantecomputer kan udføre vokser eksponentielt, men det maksimale antal qubits, der kan integreres i en kvantecomputer, er begrænset af størrelsen af ​​køleskabe, der bruges til at køle dem ned til driftstemperaturer. Tager man dette i betragtning, indsatsen fra det videnskabelige samfund har for nylig været fokuseret på at øge processorkraften i en kvantecomputer ved at transmittere kvantesignaler fra et køleskab til et andet. For at konstruere denne transmission, forskerne koblede en række af otte superledende transmon-qubits til en fælles bølgeleder - en struktur, der styrer bølger, f.eks., lysbølger.

"Ved at anvende dedikerede flux-bias-linjer for hver qubit, vi etablerer kontrol over deres overgangsfrekvenser. Det blev udledt og eksperimentelt verificeret, at flere qubits opnår en uendelig række fotonmedieret effektiv interaktion, som kan indstilles med inter-qubit-afstanden, " siger Alexey Ustinov.

Kredsløbet i dette værk udvider eksperimenter med en og to qubits mod et fuldt udbygget kvantemetamateriale, dermed baner vejen for storskalaapplikationer inden for superledende bølgelederkvanteelektrodynamik.