Fysiker har utformat ett 3D-kvantminne som tar upp avvägningen mellan att uppnå långa lagringstider och snabba avläsningstider, samtidigt som den bibehåller en kompakt form. Det nya minnet har potentiella tillämpningar inom kvantberäkning, kvantkommunikation, och andra tekniker.

Fysikerna, Edwar Xie och medförfattare vid Walther-Meissner-Institut, Münchens tekniska universitet, och Nanosystems Initiative München (NIM), Tyskland, har publicerat ett papper om det nya 3D-kvantminnet i ett nyligen utgåva av Bokstäver i tillämpad fysik .

"Eftersom kvantinformation är mycket ömtålig, det måste bearbetas snabbt eller bevaras i en lämplig förvaring. Dessa två krav är vanligtvis motstridiga, "Berättade Xie Phys.org . "Den största betydelsen av vårt arbete är att det visar hur man bygger en enhet med snabb åtkomst till lagrad kvantinformation, möjliggör snabb behandling, kombinerat med lång lagringstid."

En av de största utmaningarna för någon form av kvantteknologi är att förbättra qubits livslängd, och när det gäller kvantminnen, 3D-enheter erbjuder de längsta sammanhållningstiderna, upp till några millisekunder. I dessa minnen, qubits lagras i 3-D mikrovågsvågledarhåligheter, vars långsamma avklingningstider möjliggör långa qubit-lagringstider. Dock, en avvägning sker i dessa enheter, eftersom snabba avläsningstider kräver att hålrumsförfallet är snabbt.

Tidigare, forskare har tagit upp denna avvägning på olika sätt, genom att fysiskt separera lagrings- och avläsningsenheterna. Dock, med separata enheter blir enheterna relativt stora och skrymmande jämfört med 2-D-minnen, orsakar problem för skalbarhet.

För att samtidigt uppnå långa lagringstider, snabba avläsningstider, och ett litet fotavtryck, i den nya studien använde forskarna multimodstrukturen i 3D-håligheter. I detta tillvägagångssätt, forskarna använde antenner för att koppla en qubit till två distinkta lägen i en enda 3-D mikrovågshålighet, vilket är mycket mer kompakt än att använda två helt separata enheter. De konstruerade kaviteten så att minnesläget har en kvalitetsfaktor som är 100 gånger större än avläsningsläget, vilket leder till långsam avklingning för minnesläget och snabbt förfall för avläsningsläget.

Som ett resultat av denna koppling, forskarna visade att qubit-tillståndet kan läsas ut på en tidsskala som är 100 gånger kortare än lagringstiden. Ytterligare, simuleringar visade att mer exakt antennpositionering kunde förlänga förhållandet mellan avläsning och lagringstid till 25, 000. Detta värde skulle avsevärt överträffa det nuvarande högsta rapporterade förhållandet 7300 för kvantminnen med cylindriska 3D-kaviteter.

I framtiden, forskarna planerar att göra ytterligare förbättringar av minnet, som att skala upp genom att lägga till fler qubits, koppla qubit till högre kavitetslägen, och gör det möjligt för minnet att lagra katttillstånd (en superposition av två makroskopiska tillstånd), som har potentiella tillämpningar inom kontinuerlig variabel kvantberäkning.

"En potentiell tillämpning av detta kompakta 3D-kvantminne ligger inom området analog kvantsimulering, där en konstruerad kvantkrets, såsom en qubit, härmar en atom, "Sa Xie." På grund av sin kompakta storlek och avslappnade krav på kablar, vår 3D-kvantminnesplattform är särskilt lämplig för att bygga kedjor av artificiella atomer för simulering av molekyler. Här, en cell i kedjan består av en enda 3D-kavitet med en qubit, ett lagringsläge för mellanliggande informationslagring och ett avläsningsläge för snabb informationshämtning. Kopplingen till den närliggande cellen kan uppnås med en annan qubit. "

© 2018 Phys.org