Från stillastående till flygande qubits i hastigheter som aldrig nåtts tidigare ... Denna bedrift, uppnått av ett team från Polytechnique Montréal och Frankrikes Centre national de la recherche scientifique (CNRS), tar oss lite närmare den tid då information överförs via kvantprinciper.

Ett papper med titeln "High-Fidelity and Ultrafast Initialization of a Hole-Spin Bound to a Te Isoelectronic Center in ZnSe" publicerades nyligen i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev . Skapandet av en qubit i zinkselenid, ett välkänt halvledarmaterial, gjort det möjligt att skapa ett gränssnitt mellan kvantfysik som styr materiens beteende på en nanometer skala och överföring av information med ljusets hastighet, därigenom banar vägen för att producera kvantkommunikationsnät.

Klassisk fysik kontra kvantfysik

I dagens datorer, klassiska fysikregler. Miljarder elektroner samarbetar för att bilda en informationsbit:0, elektroner saknas och 1, elektroner är närvarande. Inom kvantfysik, enstaka elektroner föredras istället eftersom de uttrycker ett fantastiskt attribut:elektronen kan ta värdet 0, 1 eller någon överlagring av dessa två tillstånd. Detta är qubit, kvantekvivalenten för den klassiska biten. Qubits ger fantastiska möjligheter för forskare.

En elektron kretsar runt sig själv, ungefär som en snurr. Det är snurren. Genom att applicera ett magnetfält, denna snurr pekar upp, ner, eller pekar samtidigt både upp och ner för att bilda en qubit. Ännu bättre, istället för att använda en elektron, vi kan använda frånvaron av en elektron; detta är vad fysiker kallar ett "hål". Som sin elektronkusin, hålet har ett snurr från vilket en qubit kan bildas. Qubits är i sig bräckliga kvantvarelser, de behöver därför en speciell miljö.

Zinkselenid, telluriumföroreningar:en världens första

Zinkselenid, eller ZnSe, är en kristall där atomer är exakt organiserade. Det är också en halvledare i vilken det är lätt att avsiktligt införa telluriumföroreningar, en nära släkting till selen i det periodiska systemet, på vilka hål är instängda, snarare som luftbubblor i ett glas.

Denna miljö skyddar hålets snurr - vår qubit - och hjälper till att behålla sin kvantinformation exakt under längre perioder; det är sammanhållningstid, den tid som fysiker världen över försöker förlänga med alla möjliga medel. Valet av zinkselenid är målmedvetet, eftersom det kan ge den tystaste miljön av alla halvledarmaterial.

Philippe St-Jean, en doktorand i professor Sébastien Francoeurs team, använder fotoner som genereras av en laser för att initiera hålet och spela in kvantinformation på det. För att läsa den, han exciterar hålet igen med en laser och samlar sedan upp de utsända fotonerna. Resultatet är en kvantöverföring av information mellan den stationära qubit, kodad i hålets snurr som hålls fångad i kristallen, och den flygande qubit - fotonen, som naturligtvis färdas med ljusets hastighet.

Denna nya teknik visar att det är möjligt att skapa en qubit snabbare än med alla de metoder som har använts fram till nu. Verkligen, bara hundra eller så picosekunder, eller mindre än en miljarddel av en sekund, är tillräckligt för att gå från en flygande qubit till en statisk qubit, och vice versa.

Även om denna prestation lovar gott, det återstår mycket arbete innan ett kvantnätverk kan användas för att genomföra ovillkorligt säkra banktransaktioner eller bygga en kvantdator som kan utföra de mest komplexa beräkningarna. Det är den skrämmande uppgift som Sébastien Francoeurs forskargrupp kommer att fortsätta att ta itu med.