I kvantberäkningsvärlden, interaktion är allt.

För att datorer alls ska fungera, bitar - de och nollor som utgör digital information - måste kunna interagera och lämna ut data för bearbetning. Detsamma gäller för kvantbitarna, eller qubits, som utgör kvantdatorer.

Men den interaktionen skapar ett problem - i alla system där qubits interagerar med varandra, de tenderar också att vilja interagera med sin miljö, vilket resulterar i qubits som snabbt tappar sin kvantkaraktär.

För att komma runt problemet, Graduate School of Arts and Sciences Ph.D. studenten Ruffin Evans vände sig till partiklar mest kända för sin brist på interaktioner - fotoner.

Arbetade i labbet för Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett professor i fysik och meddirektör för Quantum Science and Engineering Initiative, Evans är huvudförfattare till en studie, beskrivs i tidningen Vetenskap , som visar en metod för att konstruera en interaktion mellan två qubits med hjälp av fotoner.

"Det är inte svårt att konstruera ett system med mycket starka interaktioner, men starka interaktioner kan också orsaka buller och störningar genom interaktion med omgivningen, "Evans sa." Så du måste göra miljön extremt ren. Detta är en enorm utmaning. Vi verkar i en helt annan regim. Vi använder fotoner, som har svaga interaktioner med allt. "

Evans och kollegor började med att skapa två qubits med hjälp av centra för lediga platser i kisel-föroreningar i atomskala i diamanter-och placera dem i en nanoskala som kallas en fotonisk kristallhålighet, som beter sig som två vända speglar.

"Chansen att ljus interagerar med en atom i ett enda pass kan vara mycket, väldigt liten, men när ljuset studsar runt 10, 000 gånger, det kommer nästan säkert att hända, "sa han." Så en av atomerna kan avge en foton, och det kommer att studsa runt mellan dessa speglar, och någon gång, den andra atomen kommer att absorbera foton. "

Överföringen av den fotonen går inte bara på ett sätt, fastän.

"Fotonen växlas faktiskt flera gånger mellan de två qubitsna, "Sa Evans." Det är som att de spelar varm potatis; qubitsna passerar det fram och tillbaka. "

Även om tanken på att skapa interaktion mellan qubits inte är ny - forskare har klarat prestationen i ett antal andra system - finns det två faktorer som gör den nya studien unik, Sa Evans.

"Det viktigaste framsteget är att vi arbetar med fotoner vid optiska frekvenser, som vanligtvis är mycket svagt interagerande, "sa han." Det är just därför vi använder fiberoptik för att överföra data - du kan skicka ljus genom en lång fiber utan i princip någon dämpning. Så vår plattform är särskilt spännande för långdistanskvantberäkning eller kvantnätverk. "

Och även om systemet bara fungerar vid ultralåga temperaturer, Evans sa att det är mindre komplext än metoder som kräver genomarbetade system för laserkylning och optiska fällor för att hålla atomer på plats. Eftersom systemet är byggt i nanoskala, han lade till, det öppnar möjligheten att många enheter kan placeras på ett enda chip.

"Även om denna typ av interaktion har förverkligats tidigare, det har inte förverkligats i solid state-system inom den optiska domänen, "sa han." Våra enheter är byggda med tillverkningstekniker för halvledare. Det är lätt att tänka sig att använda dessa verktyg för att skala upp till många fler enheter på ett enda chip. "

Evans föreställer sig två huvudriktningar för framtida forskning. Det första innebär att man utvecklar sätt att utöva kontroll över qubiterna och att bygga en komplett serie kvantportar som gör att de kan fungera som en fungerande kvantdator.

"Den andra riktningen är att säga att vi redan kan bygga dessa enheter, och ta information, läs den ur enheten och lägg den i en optisk fiber, så låt oss tänka på hur vi skalar upp detta och faktiskt bygger ett verkligt kvantnätverk över avstånd i mänsklig skala, "sa han." Vi tänker oss system för att bygga länkar mellan enheter över labbet eller över campus med hjälp av de ingredienser vi redan har, eller använda nästa generations enheter för att förverkliga ett småskaligt kvantnätverk. "

I sista hand, Evans sa, arbetet kan få omfattande effekter på datorns framtid.

"Allt från ett kvantinternet till kvantdatacentraler kommer att kräva optiska länkar mellan kvantsystem, och det är pusselbiten som vårt arbete är mycket väl lämpad för, " han sa.

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvarduniversitetets officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.