Rekisteri kvanttiverkkojen skaalaamiseksi

Kvanttiteknologian edistyksenä Cambridgen yliopiston Cavendish Laboratoryn tutkijat ovat luoneet toiminnallisen kvanttirekisterin käyttämällä puolijohteisen kvanttipisteen sisällä olevia atomeja.

Uusi tutkimussaavutus osoittaa uudentyyppisten optisesti kytkettyjen kubittien käyttöönoton – kriittinen edistysaskel kvanttiverkkojen kehittämisessä, joissa vakaat, skaalautuvat ja monipuoliset kvanttisolmut ovat välttämättömiä.

Kvanttipisteillä on ainutlaatuiset optiset ja elektroniset ominaisuudet. Niiden tähänastinen käyttöönotto kvanttiviestinnässä johtuu niiden kyvystä toimia kirkkaina yksifotonilähteinä.

Tehokkaat kvanttiverkot tarvitsevat kuitenkin enemmän kuin vain yhden fotonin emission; ne vaativat myös vakaat kubitit, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa fotonien kanssa ja tallentaa kvantti-informaatiota paikallisesti.

Uusi tutkimus perustuu atomien luontaisiin spineihin, jotka muodostavat kvanttipisteet toimivana monikappaleisena kvanttirekisterinä, joka tallentaa informaatiota pitkiä aikoja.

Monikappalejärjestelmä viittaa kokoelmaan vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia - tässä ydinspinit kvanttipisteen sisällä - joiden kollektiivinen käyttäytyminen synnyttää uusia, esiin nousevia ominaisuuksia, joita ei ole yksittäisissä komponenteissa. Näitä kollektiivisia tiloja käyttäen tutkijat loivat vankan ja skaalautuvan kvanttirekisterin.

Cambridge-tiimi valmisteli tiiviissä yhteistyössä Linzin yliopiston kollegoiden kanssa onnistuneesti 13 000 ydinspiniä kollektiiviseksi, lomittuvaksi kierroksiksi, joka tunnetaan nimellä "tumma tila". Tämä pimeä tila vähentää vuorovaikutusta ympäristönsä kanssa, mikä johtaa parempaan koherenssiin ja vakauteen, ja toimii kvanttirekisterin loogisena "nolla"-tilana.

Täydentävänä "ykkös" –tilana tutkijat esittävät yksittäisen ydinmagnoniviritteen - ilmiön, joka edustaa koherenttia aaltomaista viritystä, johon liittyy yksittäisen ydinspinin kääntö, joka etenee ydinryhmän läpi. Yhdessä nämä tilat mahdollistavat kvantti-informaation kirjoittamisen, tallentamisen, hakemisen ja lukemisen erittäin tarkasti.

Tutkijat osoittivat tämän kattavalla toimintasyklillä saavuttaen lähes 69 %:n tallennustarkkuuden ja yli 130 mikrosekunnin koherenssiajan. Tämä on suuri askel eteenpäin kvanttipisteille skaalautuvina kvanttisolmuina.

"Tämä läpimurto on osoitus voimasta, joka monikehofysiikalla (many-body physics) voi olla kvanttilaitteiden muuntamisessa", sanoi Mete Atatüre, tutkimuksen toinen johtaja ja fysiikan professori Cavendishin laboratoriosta.

Tulevaisuudessa Cambridge-tiimi pyrkii pidentämään aikaa, jonka heidän kvanttirekisterinsä voi tallentaa informaatiota, kymmeniin millisekunteihin parantamalla ohjaustekniikoitaan. Nämä parannukset tekisivät kvanttipisteistä sopivia välikvanttimuisteiksi kvanttitoistimissa – kriittisiä komponentteja eri etäisyydellä olevien kvanttitietokoneiden yhdistämiseen.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiannealaari parantaa ymmärrystä kvanttimonikehojärjestelmistä

Kvanttipisteisiä ja nemaattisia kubitteja