Uusi alusta kvantti-informaation käsittelyyn

Tutkijat etsivät optimaalista kubittialustaa, joka voi suorittaa operaatioita tehokkaammin, tarkemmin ja mahdollisimman nopeasti.

Lisätavoitteena on kvanttiprosessointijärjestelmän liittäminen kvanttiverkkoon tavalla, joka pystyy synnyttämään lomittumista pitkäikäisten ainekubittien ja fotonien välille, mikä mahdollistaisi pienihäviöisen ja nopean rajapinnan tulevan kvantti-internetin solmujen välillä.

Kubitit voidaan valmistaa suprajohtavilla piireillä, loukkuun jääneillä atomeilla ja ioneilla tai jopa kiinteiden aineiden vikakohdilla. Kvantti-informaatio on koodattu fyysisen järjestelmän vapausasteeseen, kuten ionin elektroniseen tilaan, esim. “0”, jos ioni on perustilassa ja “1”, jos ioni on virittyneessä tilassa.

Koska se on kvanttijärjestelmä, kubitti voidaan myös sijoittaa mihin tahansa näiden kahden tilan superpositioon. Jotkut kubitit voivat myös olla vuorovaikutuksessa toistensa välillä esimerkiksi tilastaan riippuvien sähkö- tai magneettikenttien kautta.

Viime vuosina kiintoaineiden spineissä toteutetut kubitit ovat herättäneet paljon huomiota. Kubitit ovat luonnollisesti loukussa kiinteän aineen, kuten timantti- tai silikaattikiteiden matriisissa ja jos ne asetetaan lähelle toisiaan, ne voidaan saada vuorovaikutukseen, jolloin syntyy niin kutsuttuja kubitti-kubitti -portteja. Monet voidaan lukea myös fotonin emission kautta, mikä mahdollistaa spin-fotoni -lomittumisen.

Ryhmän yksittäisten ionien erottaminen

Tällaiset vaatimukset vievät kuitenkin kokeilua eri suuntiin. Yksittäisten kubittien löytäminen kiinteästä aineesta vaatii matriisin, jossa on pieni spinin pitoisuus, jotta voidaan varmistaa, että ne ovat kaikki spektraalisesti erillisiä ja voidaan sitten käsitellä erikseen. Samaan aikaan tällainen alhainen tiheys lisäisi keskimääräistä etäisyyttä spinien välillä, mikä johtaisi vähäiseen vuorovaikutukseen ionien välillä, mikä on taas välttämätöntä kubitti-kubitti -porttien toteutukselle.

Viime vuosina tutkijat ovat havainneet, että harvinaisten maametallien ioneilla seostetut kiteet tarjoavat vankan järjestelmän ja luotettavan alustan valo-aine vuorovaikutukselle. Ionit ovat loukussa kiintoaineisessa matriisissa ja niillä on pitkät koherenssiajat ja erilaiset perustilat, joissa kubitit voidaan koodata. Lisäksi vierekkäiset ionit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa dipoli-dipoli -vuorovaikutusten kautta.

Jos pystyttäisiin tutkimaan ja analysoimaan pientä kiteen aluetta, joka on tarpeeksi pieni sisältääkseen joukon atomeja, jotka soveltuvat yksittäisen ionin havaitsemiseen vaikuttamatta tiheyteen, silloin kaikki vaaditut ehdot täyttyisivät.

Tiedelehti Opticassa julkaistussa tutkimuksessa tutkimuskeskus ICFO:n tutkijat yhteistyössä eri instituuttien kanssa ovat keksineet nerokkaan tavan tehdä juuri tämä.

He ovat raportoineet demonstraatiosta, joka osoittaa, kuinka yksittäisiä harvinaisten maametallien ioneja on käsitelty ja havaittu atomien ryhmässä nanohiukkasessa, joka on kytketty kuitu-mikrokaviteetille, mikä mahdollistaa tehokkaan valon ja aineen vuorovaikutuksen.

Heidän kokeessaan ioneina käytettiin erbium-ioneja, jotka säteilevät yksittäisiä fotoneja tietoliikenteen aallonpituudella ja jotka oli pakattu kaksi suuruusluokkaa pienempään tilavuuteen kuin aikaisemmissa toteutuksissa.

Tämän tutkimuksen tulokset "voivat mahdollistaa uuden tavan saavuttaa kvanttiprosessoreita, jotka käyttävät satoja kubitteja nanomittakaavan tilavuudessa, jotka voidaan havaita ja manipuloida yksilöllisesti ja tehokkaasti yhdistettynä yksittäisiin fotoneihin kvanttiverkottumista varten", kommentoi Eduardo Beattie, ICFO:n tutkija ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Kuten ICREA:n professori ICFO:sta Hugues de Riedmatten päättelee, " nanopartikkeleiden yksittäisten harvinaisten maametallien ionien tarjoamat mahdollisuudet ovat moninaiset: erbium-ionit voisivat tarjota viestintäkubitteja kvanttiprosessoreiden yhdistämiseksi, kun taas muut lajit voivat tarjota prosessointikubitteja. Lisäksi kehittämämme täysin kuituintegroitu järjestelmä on tärkeä askel kohti tulevaisuuden kvanttilaitteiston toteutumista."

Aiheesta aiemmin:

Tavoitteena parempia kubitteja

Kuditit antavat välähdyksen kvanttitulevaisuudesta

Askel kohti mekaanisten kubittien toteuttamista