Ett kvantinternet lovar helt säker kommunikation. Men att använda kvantbitar eller qubits för att bära information kräver en radikalt ny maskinvara - ett kvantminne. Denna atomskala-enhet måste lagra kvantinformation och omvandla den till ljus för att överföra över nätverket.

En stor utmaning för denna vision är att qubits är extremt känsliga för sin miljö, även vibrationer från närliggande atomer kan störa deras förmåga att komma ihåg information. Än så länge, forskare har förlitat sig på extremt låga temperaturer för tysta vibrationer men, att uppnå dessa temperaturer för storskaliga kvantnät är oerhört dyrt.

Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och University of Cambridge har utvecklat en kvantminneslösning som är lika enkel som att stämma en gitarr.

Forskarna konstruerade diamantsträngar som kan ställas in för att tysta en qubits miljö och förbättra minnet från tiotals till flera hundra nanosekunder, tillräckligt med tid för att utföra många operationer på ett kvantchip.

"Föroreningar i diamant har dykt upp som lovande noder för kvantnät, sa Marko Loncar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik vid SEAS och senior författare till forskningen. "Dock, de är inte perfekta. Vissa typer av föroreningar är riktigt bra på att behålla information men har svårt att kommunicera, medan andra är riktigt bra kommunikatörer men lider av minnesförlust. I det här arbetet, vi tog det senare slaget och förbättrade minnet med tio gånger. "

Forskningen är publicerad i Naturkommunikation .

Föroreningar i diamant, känd som kisel-vakans färgcentra, är kraftfulla qubits. En elektron instängd i mitten fungerar som en minnesbit och kan avge enstaka fotoner av rött ljus, som i sin tur skulle fungera som långdistansinformationsbärare av ett kvantinternet. Men med de närliggande atomerna i diamantkristallen som vibrerar slumpmässigt, elektronen i mitten glömmer snabbt bort all kvantinformation som den ombeds att komma ihåg.

"Att vara en elektron i ett färgcentrum är som att försöka studera på en högljudd marknadsplats, sa Srujan Meesala, en doktorand vid SEAS och medförfattare till tidningen. "Det finns allt detta oväsen omkring dig. Om du vill komma ihåg något, du måste antingen be folkmassorna att vara tysta eller hitta ett sätt att fokusera på bruset. Vi gjorde det senare. "

För att förbättra minnet i en bullrig miljö, forskarna ristade diamantkristallen som inrymmer färgcentrumet till en tunn sträng, ungefär en mikron bred - hundra gånger tunnare än en hårstrå - och fästa elektroder på vardera sidan. Genom att lägga på en spänning, diamantsträngen sträcker sig och ökar frekvensen av vibrationer elektronen är känslig för, precis som att dra åt en gitarrsträng ökar strängens frekvens eller tonhöjd.

"Genom att skapa spänning i strängen, vi ökar energivågan av vibrationer som elektronen är känslig för, vilket betyder att den nu bara kan känna mycket höga energivibrationer, " sa Meesala. "Denna process förvandlar effektivt de omgivande vibrationerna i kristallen till ett irrelevant bakgrundsbrum, låta elektronen inne i vakansen bekvämt hålla information i hundratals nanosekunder, vilket kan vara riktigt lång tid på kvantskalan. En symfoni av dessa avstämbara diamantsträngar kan fungera som ryggraden i ett framtida kvantinternet. "

Nästa, forskarna hoppas kunna förlänga minnet av qubits till millisekund, vilket skulle möjliggöra hundratusentals operationer och kvantkommunikation på långa avstånd.