Enheden kunne sætte gang i arbejdet mod kvanteinternet

I forskning, der kunne sætte gang i arbejdet hen imod kvanteinternettet, har forskere ved MIT og University of Cambridge bygget og testet en udsøgt lille enhed, der kunne tillade den hurtige, effektive strøm af kvanteinformation over store afstande.

Nøglen til enheden er en "mikrochiplet" lavet af diamant, hvor nogle af diamantens kulstofatomer er erstattet med tinatomer. Holdets eksperimenter indikerer, at enheden, der består af bølgeledere til lyset til at bære kvanteinformationen, løser et paradoks, der har forhindret ankomsten af ​​store, skalerbare kvantenetværk.

Kvanteinformation i form af kvantebits, eller qubits, forstyrres let af miljøstøj, som magnetiske felter, der ødelægger informationen. Så på den ene side er det ønskeligt at have qubits, der ikke interagerer stærkt med miljøet. På den anden side skal disse qubits imidlertid interagere stærkt med lyset eller fotonerne, som er nøglen til at transportere informationen over afstande.

MIT- og Cambridge-forskerne tillader begge dele ved at samintegrere to forskellige slags qubits, der arbejder sammen for at gemme og overføre information. Derudover rapporterer teamet om høj effektivitet i overførslen af ​​denne information.

"Dette er et kritisk skridt, da det demonstrerer gennemførligheden af ​​at integrere elektroniske og nukleare qubits i en mikrochiplet. Denne integration adresserer behovet for at bevare kvanteinformation over lange afstande og samtidig opretholde en stærk interaktion med fotoner. Dette var muligt gennem kombinationen af ​​styrkerne fra University of Cambridge og MIT-teamene," siger Dirk Englund, lektor i MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) og leder af MIT-teamet. Englund er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

Professor Mete Atatüre, leder af Cambridge-teamet, siger:"Resultaterne er et resultat af et stærkt samarbejde mellem de to forskerhold gennem årene. Det er fantastisk at se kombinationen af ​​teoretisk forudsigelse, enhedsfabrikation og implementering af nye kvanteoptiske kontroller alt i ét værk."

Værket blev udgivet i Nature Photonics .

Arbejde på kvanteskalaen

En computerbit kan opfattes som alt med to forskellige fysiske tilstande, såsom "tændt" og "slukket", for at repræsentere nul og én. I kvantemekanikkens mærkelige ultra-lille verden har en qubit "den ekstra egenskab, at den i stedet for kun at være i en af ​​disse to tilstande, kan være i en superposition af de to tilstande. Så den kan være i begge disse tilstande. på samme tid,« siger Martínez. Flere qubits, der er sammenfiltret eller korreleret med hinanden, kan dele meget mere information end de bits, der er forbundet med konventionel databehandling. Derfor den potentielle kraft af kvantecomputere.

Der er mange slags qubits, men to almindelige typer er baseret på spin eller rotation af en elektron eller en kerne (venstre mod højre eller højre mod venstre). Den nye enhed involverer både elektroniske og nukleare qubits.

En roterende elektron, eller elektronisk qubit, er meget god til at interagere med miljøet, mens den roterende kerne af et atom, eller nuklear qubit, ikke er det. "Vi har kombineret en qubit, der er kendt for at interagere let med lys med en qubit, der er kendt for at være meget isoleret, og dermed bevare information i lang tid. Ved at kombinere disse to tror vi, at vi kan få det bedste ud af begge verdener," siger Martínez.

Hvordan virker det? "Elektronen [elektronisk qubit], der suser med i diamanten, kan sætte sig fast ved tindefekten," siger Harris. Og denne elektroniske qubit kan derefter overføre sin information til den roterende tinkerne, den nukleare qubit.

"Den analogi, jeg kan lide at bruge, er solsystemet," fortsætter Harris. "Du har solen i midten, det er tinkernen, og så har du Jorden, der går rundt om den, og det er elektronen. Vi kan vælge at lagre informationen i jordens rotationsretning, det er vores elektroniske qubit. Eller vi kan gemme informationen i solens retning, som roterer rundt om sin egen akse. Det er den nukleare qubit."

Generelt bringer lys således information gennem en optisk fiber til den nye enhed, som inkluderer en stak af flere små diamantbølgeledere, der hver er omkring 1.000 gange mindre end et menneskehår. Adskillige enheder kunne derfor fungere som de noder, der styrer informationsstrømmen på kvanteinternettet.

Arbejdet beskrevet i Nature Photonics involverer eksperimenter med én enhed. "Til sidst kunne der dog være hundreder eller tusinder af disse på en mikrochip," siger Martínez. I en undersøgelse fra 2020, der blev offentliggjort i Nature MIT-forskere, herunder flere af de nuværende forfattere, beskrev deres vision for den arkitektur, der vil muliggøre storstilet integration af enhederne.

Harris bemærker, at hans teoretiske arbejde havde forudsagt en stærk interaktion mellem tinkernen og den indkommende elektroniske qubit. "Den var ti gange større, end vi forventede, at den var, så jeg tænkte, at beregningen nok var forkert. Så kom Cambridge-holdet og målte det, og det var pænt at se, at forudsigelsen blev bekræftet af eksperimentet."

Enig Martínez:"Teorien plus eksperimenterne overbeviste os endelig om, at [disse interaktioner] virkelig fandt sted."

Flere oplysninger: Ryan A. Parker et al., En diamant nanofotonisk grænseflade med et optisk tilgængeligt deterministisk elektronnuklear spinregister, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01332-8

Journaloplysninger: Naturfotonik , Natur

Leveret af Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology