Międzynarodowy zespół naukowców wykazał skok w zachowaniu kwantowej spójności kubitów wirujących kropek kwantowych w ramach globalnego dążenia do praktycznych sieci kwantowych i komputerów kwantowych.
Technologie te będą rewolucyjne dla wielu gałęzi przemysłu i prac badawczych: od bezpieczeństwa przepływu informacji, przez poszukiwanie materiałów i chemikaliów o nowych właściwościach, po pomiary podstawowych zjawisk fizycznych wymagających precyzyjnej synchronizacji czasowej pomiędzy czujnikami.
Interfejsy spin-foton to elementarne elementy budulcowe sieci kwantowych, które umożliwiają przekształcanie stacjonarnych informacji kwantowych (takich jak stan kwantowy jonu lub kubitu spinowego w stanie stałym) w światło, czyli fotony, które mogą być rozprowadzane na duże odległości. Głównym wyzwaniem jest znalezienie interfejsu, który jest zarówno dobry do przechowywania informacji kwantowych, jak i skuteczny w przekształcaniu ich 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 powyżej setek mikrosekund.
Kropki kwantowe to struktury krystaliczne zbudowane z wielu tysięcy atomów. Jądra każdego z tych atomów mają magnetyczny moment dipolowy, który sprzęga się z elektronem kropki kwantowej i może powodować utratę informacji kwantowej przechowywanej w kubicie elektronowym. Odkrycie zespołu badawczego, opisane w czasopiśmie Nature Nanotechnology, polega na tym, że w urządzeniu zbudowanym z materiałów półprzewodnikowych, które mają ten sam parametr sieci, jądra “odczuwają” to samo środowisko i zachowują się zgodnie. W rezultacie możliwe jest teraz odfiltrowanie tego szumu jądrowego i osiągnięcie poprawy czasu przechowywania o prawie dwa rzędy wielkości.
„To zupełnie nowy system optycznie aktywnych kropek kwantowych, w którym możemy wyłączyć interakcję z jądrami i ponownie skupiać spin elektronu, aby utrzymać jego stan kwantowy przy życiu” – powiedziała Claire Le Gall z Cavendish Laboratory w Cambridge, która kierowała badaniem. projekt. „W naszej pracy wykazaliśmy setki mikrosekund, ale tak naprawdę teraz, gdy jesteśmy w tym reżimie, wiemy, że znacznie dłuższe czasy koherencji są w zasięgu ręki. W przypadku spinów w kropkach kwantowych krótkie czasy koherencji były największą przeszkodą w zastosowaniach, a to odkrycie oferuje jasne i proste rozwiązanie tego problemu”.
Badając po raz pierwszy stumikrosekundowe skale czasowe, 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 zespół jądrowy jest izolowanym układem kwantowym, a spójny elektron będzie bramą do zjawisk kwantowych w dużym jądrowym zespole spinowym.
Kolejną rzeczą, która zaskoczyła naukowców, był “dźwięk” wychwytywany z jąder. 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 systemem materiałów dopasowanych do sieci, 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 University of Linz. „To bardzo satysfakcjonujące widzieć, że początkowo kierowana ciekawością linia badawcza nad dość„ egzotycznym ”systemem oraz wytrwałość wykwalifikowanych członków zespołu, Santanu Manna i Saimon Covre da Silva, doprowadziły do urządzeń będących podstawą tych spektakularnych wyników. wiemy, do czego służą nasze nanostruktury i jesteśmy podekscytowani perspektywą dalszego opracowywania ich właściwości wraz z naszymi współpracownikami”.
“Jedną z najbardziej ekscytujących rzeczy w tych badaniach jest ujarzmienie złożonego układu kwantowego: sto tysięcy jąder sprzężonych silnie z dobrze kontrolowanym spinem elektronu” – wyjaśnia doktorant Cavendish, Leon Zaporski – pierwszy autor artykułu. „Większość badaczy podchodzi do problemu izolowania kubitów od szumu, eliminując wszystkie interakcje. Ich kubity stają się trochę jak uspokojone koty Schrödingera, które ledwo reagują na to, czy ktoś pociągnie ich za ogon. Nasz „kot” jest na silnych stymulantach, co – – w praktyce oznacza, że możemy się przy tym bawić.”
“Kropki kwantowe łączą obecnie wysoką fotoniczną wydajność kwantową z długimi czasami koherencji spinowej” – wyjaśnia profesor Mete Atatüre, współautor tego artykułu. „W niedalekiej przyszłości przewidujemy, że te urządzenia umożliwią tworzenie splątanych stanów świetlnych dla całkowicie fotonicznych obliczeń kwantowych i umożliwią fundamentalne eksperymenty kontroli kwantowej zespołu spinu jądrowego”.