Ett team av Cambridge-forskare har hittat ett sätt att kontrollera havet av kärnor i halvledarkvantprickar så att de kan fungera som en kvantminnesenhet.

Kvantprickar är kristaller som består av tusentals atomer, och var och en av dessa atomer interagerar magnetiskt med den fångade elektronen. Om den lämnas ensam till sina egna enheter, denna interaktion mellan elektronen och kärnsnurren, begränsar användbarheten av elektronen som en kvantbit - en kvantbit.

Leds av professor Mete Atatüre, en stipendiat vid St John's College, Universitetet i Cambridge, forskargruppen, ligger vid Cavendish Laboratory, utnyttja kvantfysikens och optikens lagar för att undersöka datoranvändning, avkännings- eller kommunikationsapplikationer.

Atatüre sa:"Quantum dots erbjuder ett idealiskt gränssnitt, som förmedlas av ljus, till ett system där dynamiken i individuella interagerande snurr kunde kontrolleras och utnyttjas. Eftersom kärnorna slumpmässigt "stjäl" information från elektronen har de traditionellt sett varit ett irritationsmoment, men vi har visat att vi kan utnyttja dem som en resurs."

Cambridge-teamet hittade ett sätt att utnyttja interaktionen mellan elektronen och de tusentals kärnorna med hjälp av lasrar för att "kyla" kärnorna till mindre än 1 millikelvin, eller en tusendels grad över den absoluta nolltemperaturen. De visade sedan att de kan kontrollera och manipulera de tusentals kärnorna som om de bildar en enda kropp unisont, som en andra qubit. Detta bevisar att kärnorna i kvantpunkten kan utbyta information med elektronkvantbiten och kan användas för att lagra kvantinformation som en minnesenhet. Fynden har publicerats i Vetenskap i dag.

Quantum computing syftar till att utnyttja grundläggande begrepp inom kvantfysik, såsom intrassling och superpositionsprincip, att överträffa nuvarande metoder för datoranvändning och kan revolutionera tekniken, företag och forskning. Precis som klassiska datorer, kvantdatorer behöver en processor, minne, och en buss för att transportera informationen fram och tillbaka. Processorn är en qubit som kan vara en elektron fångad i en kvantprick, bussen är en enda foton som dessa kvantpunkter genererar och är idealiska för att utbyta information. Men den saknade länken för kvantprickar är kvantminne.

Atatüre sa:"Istället för att prata med enskilda kärnkraftssnurr, vi arbetade med att komma åt kollektiva spinnvågor med laser. Det här är som en stadion där du inte behöver oroa dig för vem som räcker upp händerna i den mexikanska vågen som går runt, så länge det finns en kollektiv våg eftersom de alla dansar unisont.

"Vi fortsatte sedan med att visa att dessa spinnvågor har kvantkoherens. Det här var den saknade biten i sticksågen och vi har nu allt som behövs för att bygga ett dedikerat kvantminne för varje qubit."

Inom kvantteknik, fotonen, qubiten och minnet behöver interagera med varandra på ett kontrollerat sätt. Detta förverkligas mestadels genom att sammankoppla olika fysiska system för att bilda en enda hybridenhet som kan vara ineffektiv. Forskarna har kunnat visa att i kvantprickar, minneselementet är automatiskt där med varje enskild qubit.

Dr Dorian Gangloff, en av de första författarna till tidningen och en stipendiat vid St John's, sade upptäckten kommer att förnya intresset för dessa typer av halvledarkvantprickar. Dr Gangloff förklarade:"Detta är ett genombrott för den heliga gralen för kvantprickforskning – både för kvantminne och grundläggande forskning; vi har nu verktygen för att studera dynamiken hos komplexa system i kvantsimuleringsandan."

De långsiktiga möjligheterna med detta arbete kunde ses inom området kvantberäkning. Förra månaden, IBM lanserade världens första kommersiella kvantdator, och Microsofts verkställande direktör har sagt att kvantdatorer har potential att "omforma världen radikalt".

Gangloff sa:"Påverkan av qubit kan vara ett halvt sekel bort men kraften med störande teknologi är att det är svårt att föreställa sig de problem vi kan öppna upp - du kan försöka tänka på det som kända okända men någon gång du kommer in på nytt territorium. Vi vet ännu inte vilken typ av problem det kommer att hjälpa till att lösa, vilket är väldigt spännande."