I ett steg som för kiselbaserade kvantdatorer närmare verkligheten, forskare vid Princeton University har byggt en enhet där en enskild elektron kan skicka sin kvantinformation till en ljuspartikel. Partikeln av ljus, eller foton, kan sedan fungera som en budbärare för att föra informationen till andra elektroner, skapa anslutningar som bildar kretsarna i en kvantdator.

Forskningen, publiceras i tidskriften Vetenskap och genomfördes vid Princeton och HRL Laboratories i Malibu, Kalifornien, representerar en mer än femårig ansträngning för att bygga en robust förmåga för en elektron att prata med en foton, sa Jason Petta, en Princeton professor i fysik.

"Precis som i mänsklig interaktion, för att ha bra kommunikation måste en rad saker lösa sig – det hjälper att prata samma språk och så vidare, " sa Petta. "Vi kan föra energin från det elektroniska tillståndet i resonans med ljuspartikeln, så att de två kan prata med varandra."

Upptäckten kommer att hjälpa forskarna att använda ljus för att länka samman enskilda elektroner, som fungerar som bitarna, eller minsta dataenheter, i en kvantdator. Kvantdatorer är avancerade enheter som, när insett, kommer att kunna utföra avancerade beräkningar med små partiklar som elektroner, som följer kvantregler snarare än vardagsvärldens fysiska lagar.

Varje bit i en vanlig dator kan ha värdet 0 eller 1. Kvantbitar – så kallade qubits – kan vara i tillståndet 0, 1, eller både en 0 och en 1 samtidigt. Denna superposition, som det är känt, gör det möjligt för kvantdatorer att hantera komplexa frågor som dagens datorer inte kan lösa.

Enkla kvantdatorer har redan tillverkats med fångade joner och supraledare, men tekniska utmaningar har bromsat utvecklingen av kiselbaserade kvantenheter. Kisel är ett mycket attraktivt material eftersom det är billigt och redan används flitigt i dagens smartphones och datorer.

Forskarna fångade både en elektron och en foton i enheten, justerade sedan elektronens energi på ett sådant sätt att kvantinformationen kunde överföras till fotonen. Denna koppling gör det möjligt för fotonen att föra informationen från en qubit till en annan placerad upp till en centimeter bort.

Kvantinformation är extremt ömtålig - den kan gå förlorad helt på grund av minsta störning från miljön. Fotoner är mer robusta mot störningar och kan potentiellt bära kvantinformation inte bara från qubit till qubit i en kvantdatorkrets utan också mellan kvantchips via kablar.

För att dessa två mycket olika typer av partiklar ska prata med varandra, dock, forskare var tvungna att bygga en enhet som gav rätt miljö. Först, Peter Deelman på HRL Laboratories, ett företagsforsknings- och utvecklingslaboratorium som ägs av Boeing Company och General Motors, tillverkade halvledarchippet av lager av kisel och kisel-germanium. Denna struktur fångade ett enda lager av elektroner under chipets yta. Nästa, forskare vid Princeton lade små trådar, var och en bara en bråkdel av bredden av ett människohår, över enhetens ovansida. Dessa nanometerstora ledningar gjorde det möjligt för forskarna att leverera spänningar som skapade ett energilandskap som kunde fånga en enda elektron, begränsar det i ett område av kiselet som kallas en dubbel kvantpunkt.

Forskarna använde samma ledningar för att justera energinivån för den fångade elektronen för att matcha den för fotonen, som är fångad i en supraledande hålighet som är tillverkad ovanpå kiselskivan.

Före denna upptäckt, halvledar-qubits kunde endast kopplas till angränsande qubits. Genom att använda ljus för att koppla qubits, det kan vara möjligt att skicka information mellan qubits vid motsatta ändar av ett chip.

Elektronens kvantinformation består av ingenting annat än elektronens placering i en av två energifickor i den dubbla kvantpunkten. Elektronen kan uppta den ena eller andra fickan, eller båda samtidigt. Genom att kontrollera de spänningar som appliceras på enheten, forskarna kan kontrollera vilken ficka elektronen upptar.

"Vi har nu förmågan att faktiskt överföra kvanttillståndet till en foton som är instängd i kaviteten, sa Xiao Mi, en doktorand vid Princetons institution för fysik och första författare på tidningen. "Detta har aldrig gjorts tidigare i en halvledarenhet eftersom kvanttillståndet gick förlorat innan det kunde överföra sin information."

Framgången för enheten beror på en ny kretsdesign som för ledningarna närmare qubiten och minskar störningar från andra källor till elektromagnetisk strålning. För att minska detta ljud, forskarna sätter in filter som tar bort främmande signaler från ledningarna som leder till enheten. Metalltrådarna skyddar också qubiten. Som ett resultat, qubits är 100 till 1000 gånger mindre bullriga än de som använts i tidigare experiment.

Så småningom planerar forskarna att utöka enheten så att den fungerar med en inneboende egenskap hos elektronen som kallas dess spin. "I det långa loppet vill vi ha system där spinn och laddning kopplas ihop för att skapa en spin qubit som kan styras elektriskt, " sa Petta. "Vi har visat att vi på ett konsekvent sätt kan koppla en elektron till ljus, och det är ett viktigt steg mot att koppla spin till ljus."

David DiVincenzo, en fysiker vid Institutet för kvantinformation vid RWTH Aachen University i Tyskland, som inte var involverad i forskningen, är författare till en inflytelserik artikel från 1996 som beskriver fem minimala krav som krävs för att skapa en kvantdator. Av Princeton-HRL-arbetet, som han inte var inblandad i, DiVincenzo sa:"Det har varit en lång kamp för att hitta den rätta kombinationen av villkor som skulle uppnå det starka kopplingsvillkoret för en enelektron qubit. Jag är glad att se att ett område med parameterutrymme har hittats dit systemet kan gå för första gången in i starkt kopplingsområde."