Революційне рішення покращує квантове зберігання інформації понад 100 мікросекунд

У рамках всесвітніх зусиль з розробки практичних квантових мереж і квантових комп’ютерів міжнародна команда вчених досягла значного прогресу в збереженні квантової когерентності спінових кубітів квантових точок. Завдяки цим технологіям зміниться низка галузей промисловості та наукових досліджень. Вони впливатимуть на все: від безпечної передачі інформації до пошуку нових матеріалів і хімікатів з унікальними властивостями, а також точного вимірювання фундаментальних фізичних явищ, для яких потрібні синхронізовані датчики.

Спін-фотонні інтерфейси є елементарними будівельними блоками для квантових мереж, які дозволяють перетворювати стаціонарну квантову інформацію (таку як квантовий стан іона або твердотілий спіновий кубіт) у світло, а саме фотони, які можуть поширюватися на великі відстані. Головне завдання полягає в тому, щоб знайти інтерфейс, який добре зберігає квантову інформацію та ефективно перетворює її на світло.

Оптично активні напівпровідникові квантові точки є найефективнішим спін-фотонним інтерфейсом, відомим на сьогодні, але збільшення часу їх зберігання понад кілька мікросекунд спантеличило фізиків, не зважаючи на десятирічні дослідницькі зусилля. Тепер дослідники з кембридзького університету, Університету Лінца та Університету Шеффілда показали, що існує просте матеріальне розв’язання цієї проблеми, яке покращує зберігання квантової інформації понад сто мікросекунд.

Квантові точки — це кристалічні структури, що складаються з багатьох тисяч атомів. Кожне з ядер цих атомів має магнітний дипольний момент, який з’єднується з електроном квантової точки і може спричинити втрату квантової інформації, що зберігається в електронному кубіті. Висновок дослідницької групи, опублікований у журналі Nature Nanotechnology, полягає в тому, що в пристрої, виготовленому з напівпровідникових матеріалів, які мають однаковий параметр решітки, ядра «відчували» те саме оточення та поводилися в унісон. Як результат, тепер можна відфільтрувати цей ядерний шум і досягти збільшення часу зберігання майже на два порядки.

«Це абсолютно новий режим для оптично активних квантових точок, де ми можемо вимкнути взаємодію з ядрами та знову і знову перефокусувати обертання електрона, щоб підтримувати його квантовий стан», — сказала Клер Ле Галл з Кевендішської лабораторії в Кембриджі, яка керувала дослідженням. демонструвати. «У нашій роботі ми продемонстрували сотні мікросекунд, але насправді, зараз ми в цьому режимі, ми знаємо, що набагато більший час когерентності доступний. Для спінів у квантових точках короткий час когерентності був найбільшою перешкодою для додатків, і це відкриття пропонує чітке та просте розв’язання цієї проблеми».

Вперше досліджуючи шкали часу в сто мікросекунд, дослідники були приємно здивовані, виявивши, що електрон бачить лише шум від ядер на відміну, скажімо, від електричного шуму в пристрої. Це справді чудова позиція, оскільки ядерний ансамбль є ізольованою квантовою системою, а когерентний електрон буде воротами до квантових явищ у великому ядерному спіновому ансамблі.

Ще одна річ, яка здивувала дослідників, — це «звук», який було вловлено з ядер. Це було не настільки гармонійно, як передбачалося спочатку, і є місце для подальшого вдосконалення квантової когерентності системи шляхом подальшої матеріальної інженерії.

«Коли ми почали працювати з системою матеріалу з узгодженою решіткою, яка використовується в цій роботі, отримати квантові точки з чітко визначеними властивостями та гарною оптичною якістю було нелегко», — говорить Армандо Растеллі, співавтор цієї статті в Університеті Лінца. . «Дуже приємно бачити, що початково керована цікавістю лінія досліджень досить «екзотичної» системи та наполегливість досвідчених членів команди Сантану Манни та Саймона Ковре да Сілва привели до пристроїв, які ґрунтуються на цих вражаючих результатах. Тепер ми знаємо, для чого корисні наші наноструктури, і ми в захваті від перспективи подальшої розробки їхніх властивостей разом із нашими співробітниками».

«Одна з найбільш захоплюючих речей у цьому дослідженні — приборкання складної квантової системи: сто тисяч ядер, сильно зв’язаних із добре контрольованим спіном електрона», — пояснює доктор філософії Кавендіш. студент Леон Запорський – перший автор статті. «Більшість дослідників підходять до проблеми ізоляції кубіта від шуму, усуваючи всі взаємодії. Їхні кубіти стають трохи схожими на заспокійливих котів Шредінгера, які майже не реагують, коли хтось смикне їх за хвіст. Наш «кіт» приймає сильні стимулятори, що на практиці означає, що ми можемо отримати від нього більше задоволення».

«Тепер квантові точки поєднують високу фотонну квантову ефективність із довгим часом когерентності обертання», — пояснює професор Мете Ататюре, співавтор цієї статті. «У найближчому майбутньому ми передбачаємо, що ці пристрої дозволять створювати заплутані стани світла для повністю фотонних квантових обчислень і дозволять фундаментальні експерименти квантового керування ядерним спіновим ансамблем».