Naukowcy znajdują sposoby na skrócenie czasu przechowywania informacji kwantowych w materiale bogatym w spin

(Wiadomości z NanwerkuMiędzynarodowy zespół naukowców wykazał skok w zachowaniu spójności kwantowej kubitów kropek kwantowych w ramach globalnego dążenia do praktycznych sieci kwantowych i komputerów kwantowych.

Technologie te będą rewolucyjne dla wielu gałęzi przemysłu i badań naukowych: od bezpieczeństwa przesyłu informacji, poprzez poszukiwanie materiałów i chemikaliów o nowych właściwościach, po pomiary podstawowych zjawisk fizycznych, które wymagają precyzyjnej synchronizacji czasowej między czujnikami.

Interfejsy spin-foton to elementarne elementy budulcowe sieci kwantowych, które umożliwiają konwersję niezmiennych informacji kwantowych (takich jak stan kwantowy jonu lub kubitu spinowego w stanie stałym) na światło, czyli fotony, które mogą być rozprowadzane na duże odległości. Głównym wyzwaniem jest znalezienie interfejsu, który dobrze przechowuje informacje kwantowe i skutecznie przekształca je w światło.

Optycznie aktywne półprzewodnikowe kropki kwantowe są najbardziej wydajnym znanym do tej pory interfejsem spin-foton, ale wydłużenie czasu ich przechowywania poza kilka mikrosekund wprawiło fizyków w zakłopotanie pomimo trwających dekadę wysiłków badawczych. Teraz naukowcy z University of Cambridge, University of Linz i University of Sheffield wykazali, że istnieje proste rozwiązanie materiałowe tego problemu, które poprawia przechowywanie informacji kwantowych poza setki mikrosekund. Naukowcy znajdują sposoby na skrócenie czasu przechowywania informacji kwantowych poza setki mikrosekund. (Zdjęcie: Uniwersytet Cambridge) Kropki kwantowe Są to struktury krystaliczne złożone z wielu tysięcy atomów. Każde z jąder tych atomów ma magnetyczny moment dipolowy, który jest sprzężony z elektronem kropki kwantowej i może spowodować utratę informacji kwantowej przechowywanej w kubicie elektronowym. Odkrycia zespołu badawczego zostały zgłoszone w Nanotechnologia natury („Doskonałe ponowne skupienie optycznie aktywnych kubitów spinowych przy bardzo drobnych interakcjach”) polega na tym, że w urządzeniu zbudowanym z materiałów półprzewodnikowych o tym samym module sieciowym rdzenie wyczuwały to samo środowisko i zachowywały się zgodnie. W rezultacie możliwe jest teraz odfiltrowanie tego szumu jądrowego i osiągnięcie poprawy czasu przechowywania o około dwa rzędy wielkości.

„To zupełnie nowy system optycznie aktywnych kropek kwantowych, w którym możemy przestać wchodzić w interakcje z jądrami i ponownie skupiać spin elektronu, aby utrzymać jego stan kwantowy przy życiu” – powiedziała Claire Le Gall z Cavendish Laboratory w Cambridge, która prowadził zespół Cambridge. Projekt. „W naszej pracy zademonstrowaliśmy setki mikrosekund, ale tak naprawdę, teraz, gdy jesteśmy w tym reżimie, wiemy, że dłuższe czasy koherencji są w zasięgu ręki. W przypadku spinów w kropkach kwantowych krótkie czasy koherencji były największą przeszkodą dla zastosowań , a to odkrycie oferuje oczywiste i proste rozwiązanie tego problemu”.

Badając po raz pierwszy skale czasowe stu mikrosekund, naukowcy byli mile zaskoczeni odkryciem, że elektron widzi tylko szum z jąder, w przeciwieństwie do, powiedzmy, szumu elektrycznego w urządzeniu. To naprawdę świetna pozycja, ponieważ grupa jądrowa jest izolowanym układem kwantowym, a spójny elektron byłby bramą do zjawisk kwantowych w dużej grupie spinów jądrowych.

Kolejną rzeczą, która zaskoczyła badaczy, był „dźwięk” wychwytywany z rdzeni. Nie było to tak harmonijne, jak początkowo oczekiwano, i jest miejsce na dalszą poprawę spójności kwantowej systemu poprzez dalszą inżynierię materiałową.

„Kiedy rozpoczęliśmy pracę z konformacyjnym systemem materiałów siatkowych zastosowanym w tej pracy, uzyskanie kropek kwantowych o dobrze zdefiniowanych właściwościach i dobrej jakości optycznej nie było łatwe”, mówi Armando Rastelli, współautor tego artykułu na Uniwersytecie w Linz. . „To bardzo satysfakcjonujące widzieć, że początkowa linia badań, napędzana ciekawością nieco „egzotycznego” systemu i wytrwałością wykwalifikowanych członków zespołu, Santano Mana i Simona Cofera da Silvy, doprowadziła do oprzyrządowania będącego podstawą tych niesamowitych wyników. Teraz wiemy, jaka jest użyteczność naszych nanostruktur. Nie możemy się doczekać dalszej inżynierii ich właściwości z naszymi współpracownikami”.

„Jedną z najbardziej ekscytujących rzeczy w tych badaniach jest ujarzmienie złożonego układu kwantowego: sto tysięcy jąder silnie związanych z dobrze kontrolowanym spinem elektronicznym” – wyjaśnia doktorant Cavendish Leon Zaborsky – pierwszy autor artykułu. Większość badaczy zajmuje się problemem izolacji kubitu od szumu poprzez usunięcie wszystkich interakcji. Ich kubity stają się trochę jak uśpione koty Schrödingera, które ledwo reagują na każdego, kto pociągnie ich za ogon. Nasza „kotka” ma silne bodźce, co w praktyce oznacza, że ​​możemy się z nią więcej bawić.

„Kropki kwantowe łączą teraz wysoką wydajność kwantową z długimi czasami koherencji spinowej” – wyjaśnia profesor Mete Atatur, współautor tego artykułu. „Wyobrażamy sobie, że w niedalekiej przyszłości te urządzenia umożliwią tworzenie splątanych stanów świetlnych dla wszystkich fotonicznych obliczeń kwantowych i umożliwią podstawowe eksperymenty kontroli kwantowej dla zespołu spinów jądrowych”.