Enheten kan öka arbetet mot kvantinternet

By | February 2, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Mikroskopiskt fotografi av en enhet som skulle kunna främja arbetet mot kvantinternet. De horisontella linjerna är diamantvågledare, var och en cirka 1 000 gånger mindre än ett människohår. Kredit: Atatüre Laboratory, University of Cambridge

× nära


Mikroskopiskt fotografi av en enhet som skulle kunna främja arbetet mot kvantinternet. De horisontella linjerna är diamantvågledare, var och en cirka 1 000 gånger mindre än ett människohår. Kredit: Atatüre Laboratory, University of Cambridge

I forskning som kan främja arbetet mot kvantinternet har forskare vid MIT och University of Cambridge byggt och testat en utsökt liten enhet som kan möjliggöra ett snabbt och effektivt flöde av kvantinformation över stora avstånd.

Nyckeln till enheten är en “mikrochiplet” gjord av diamant där några av diamantens kolatomer är ersatta med tennatomer. Teamets experiment tyder på att enheten, som består av vågledare för ljus att bära kvantinformation, löser en paradox som har blockerat ankomsten av stora, skalbara kvantnätverk.

Kvantinformation i form av kvantbitar, eller qubits, störs lätt av omgivningsbrus, såsom magnetfält, som förstör informationen. Så å ena sidan är det önskvärt att ha qubits som inte interagerar starkt med omgivningen. Å andra sidan måste dock dessa qubits interagera starkt med ljus, eller fotoner, nyckeln till att transportera information över ett avstånd.

Forskare vid MIT och Cambridge möjliggör båda genom att samintegrera två olika typer av qubits som arbetar tillsammans för att lagra och överföra information. Dessutom rapporterar teamet hög effektivitet när det gäller att överföra den informationen.

“Detta är ett kritiskt steg eftersom det visar genomförbarheten av att integrera elektroniska och nukleära qubits i en mikrochiplet. Denna integration adresserar behovet av att bevara kvantinformation över långa avstånd och samtidigt bibehålla en stark interaktion med fotoner. Detta möjliggjordes genom att kombinera styrkorna från Cambridge University och MIT-teamen”, säger Dirk Englund, docent vid MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) och ledare för MIT-teamet. Englund är också knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.

Professor Mete Atatüre, ledare för Cambridge-teamet, säger: “Resultaten är resultatet av ett starkt samarbete mellan de två forskarteamen under åren. Det är fantastiskt att se kombinationen av teoretisk förutsägelse, tillverkning av enheter och implementering av nya kvantoptiska kontroller, allt i ett jobb.”

Verket publicerades i Naturfotonik.

Arbetar på en kvantskala

En datorbit kan ses som vad som helst med två olika fysiska tillstånd, såsom “på” och “av”, för att representera noll och ett. I kvantmekanikens märkliga, extremt lilla värld har en qubit “den extra egenskapen att den istället för att vara i bara ett av dessa två tillstånd kan vara i en superposition av de två tillstånden. Därför kan den vara i båda tillstånden. stater.” samtidigt”, säger Martínez. Flera kvantbitar som är intrasslade eller korrelerade med varandra kan dela mycket mer information än de bitar som är förknippade med konventionella datorer. Därav den potentiella kraften hos kvantdatorer.

Det finns många typer av qubits, men två vanliga typer är baserade på spinn, eller rotationen av en elektron eller kärna (vänster till höger eller höger till vänster). Den nya enheten innehåller både elektroniska och nukleära qubits.

En snurrande elektron, eller elektronisk qubit, interagerar mycket bra med omgivningen, medan den snurrande kärnan i en atom, eller nukleär qubit, inte är det. “Vi har kombinerat en qubit som är välkänd för att interagera lätt med ljus med en qubit som är välkänd för att vara mycket isolerad och därför bevara information under lång tid. Genom att kombinera dessa två tror vi att vi kan få det bästa av två världar “, säger Martínez.

Hur fungerar det? “Elektronen [electronic qubit] “Den snurrande diamanten kan fastna i tenndefekten”, säger Harris, och den här elektroniska qubiten kan sedan överföra sin information till den snurrande tennkärnan, den nukleära qubiten.

“Den analogi jag gillar att använda är solsystemet”, fortsätter Harris. “Du har solen i mitten, det är tennkärnan, och sedan har du jorden som snurrar runt den, och det är elektronen. Vi kan välja att lagra informationen i jordens rotationsriktning, det är vår elektroniska qubit Eller ” Vi kan lagra information i solens riktning, som roterar runt sin egen axel. “Det är kärnkraften.”

Så totalt sett bär ljuset information genom en optisk fiber till den nya enheten, som inkluderar en stapel av flera små diamantvågledare, som var och en är cirka 1 000 gånger mindre än ett människohår. Olika enheter skulle då kunna fungera som noder som styr informationsflödet på kvantinternet.

Arbetet som beskrivs i Naturfotonik Det innebär experiment med en enhet. “Men så småningom kan det finnas hundratals eller tusentals av dessa på ett mikrochip,” säger Martínez. I en studie från 2020 publicerad i NaturMIT-forskare, inklusive flera av de nuvarande författarna, beskrev sin vision för arkitekturen som kommer att möjliggöra storskalig integration av enheterna.

Harris noterar att hans teoretiska arbete hade förutspått en stark interaktion mellan tennkärnan och den inkommande elektroniska qubiten. “Det var tio gånger större än vi förväntade oss, så jag trodde att beräkningen förmodligen var fel. Sedan kom Cambridge-teamet och mätte det, och det var fantastiskt att se experimentet bekräfta förutsägelsen.”

Martínez håller med och säger: “Teori och experiment övertygade oss till slut om det [these interactions] hände verkligen.”

Mer information:
Ryan A. Parker et al., Ett nanofotoniskt diamantgränssnitt med en optiskt tillgänglig deterministisk elektronspinregistrering, Naturfotonik (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01332-8

Tidningsinformation:
Naturfotonik

Natur

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *