Forskere løser et grundlæggende problem med at overføre kvanteinformation

Fremtidens kvanteelektronik vil adskille sig væsentligt fra konventionel elektronik. Mens hukommelse i sidstnævnte lagres som binære cifre, lagres førstnævnte som qubits, som kan antage mange former, såsom indesluttede elektroner i nanostrukturer kendt som kvanteprikker. Udfordringer med at overføre denne information til noget længere end det tilstødende kvantepunkt har imidlertid begrænset qubit-design.

Nu, i en undersøgelse for nylig offentliggjort i Physical Review Letters , forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo løser dette problem, De udviklede en ny teknologi til at transmittere kvanteinformation over måske ti til hundrede mikrometer. Dette fremskridt kunne forbedre funktionaliteten af ​​kommende kvanteelektronik.

Hvordan kan forskere overføre kvanteinformation, fra en kvanteprik til en anden, på den samme kvantecomputerchip? En måde kunne være at konvertere elektron (stof) information til lys (elektromagnetisk bølge) information - ved at generere lys-stof hybrid tilstande.

Tidligere arbejde har været uforeneligt med én-elektron behov for kvanteinformationsbehandling. Forbedring af højhastigheds-kvanteinformationstransmission på en måde, der er mere fleksibel i design og er kompatibel med de halvlederfremstillingsværktøjer, der i øjeblikket er tilgængelige, var målet med forskerholdets undersøgelse.

"I vores arbejde kobler vi nogle få elektroner i kvanteprikken til et elektrisk kredsløb kendt som en terahertz split-ring resonator," forklarer Kazuyuki Kuroyama, hovedforfatter af undersøgelsen. "Designet er enkelt og velegnet til integration i stor skala."

Tidligere arbejde har været baseret på at koble resonatoren med et ensemble på tusinder til titusinder af elektroner. Faktisk er koblingsstyrken baseret på den store størrelse af dette ensemble. I modsætning hertil begrænser det nuværende system kun nogle få elektroner, hvilket er velegnet til kvanteinformationsbehandling. Ikke desto mindre er både elektroner og terahertz elektromagnetiske bølger begrænset til et ultralille område. Derfor er koblingsstyrken sammenlignelig i styrke med mange-elektronsystemer.

"Vi er begejstrede, fordi vi bruger strukturer, der er udbredt inden for avanceret nanoteknologi - og er almindeligvis integreret i halvlederfremstilling - for at hjælpe med at løse et praktisk problem med kvanteinformationstransmission," siger Kazuhiko Hirakawa, seniorforfatter. "Vi ser også frem til at anvende vores resultater til at forstå den grundlæggende fysik af lys-elektron koblede tilstande."

Dette arbejde er et vigtigt skridt fremad i løsningen af ​​et tidligere irriterende problem med at overføre kvanteinformation, der har begrænset anvendelse af laboratoriefund. Derudover betragtes en sådan lys-stof-interkonvertering som en af ​​de essentielle arkitekturer for storskala kvantecomputere baseret på halvlederkvanteprikker. Fordi forskernes resultater er baseret på materialer og procedurer, der er almindelige i halvlederfremstilling, bør praktisk implementering være ligetil.

Flere oplysninger: Kazuyuki Kuroyama et al., Coherent Interaction of a Few-Electron Quantum Dot with a Terahertz Optical Resonator, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.066901. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2204.10522

Leveret af University of Tokyo