Forskare vid University of Rochester och Cornell University har tagit ett viktigt steg mot att utveckla ett kommunikationsnätverk som utbyter information över långa avstånd genom att använda fotoner, masslösa mätningar av ljus som är nyckelelement i kvantberäkningar och kvantkommunikationssystem.

Forskargruppen har designat en nod i nanoskala gjord av magnetiska och halvledande material som kan interagera med andra noder, använder laserljus för att sända ut och acceptera fotoner.

Utvecklingen av ett sådant kvantnätverk – utformat för att dra nytta av de fysiska egenskaperna hos ljus och materia som kännetecknas av kvantmekanik – lovar snabbare, effektivare sätt att kommunicera, beräkna, och upptäcka objekt och material jämfört med nätverk som för närvarande används för datoranvändning och kommunikation.

Beskrivs i journalen Naturkommunikation , noden består av en rad pelare som bara är 120 nanometer höga. Pelarna är en del av en plattform som innehåller atomärt tunna lager av halvledare och magnetiska material.

Arrayen är konstruerad så att varje pelare fungerar som en platsmarkör för ett kvanttillstånd som kan interagera med fotoner och de associerade fotonerna kan potentiellt interagera med andra platser över enheten – och med liknande arrayer på andra platser. Denna potential att ansluta kvantnoder över ett fjärrnätverk drar nytta av konceptet med entanglement, ett fenomen inom kvantmekaniken som, på sin mycket grundläggande nivå, beskriver hur partiklarnas egenskaper hänger ihop på subatomär nivå.

"Det här är början på att ha ett slags register, om du vill, där olika rumsliga platser kan lagra information och interagera med fotoner, " säger Nick Vamivakas, professor i kvantoptik och kvantfysik vid Rochester.

Mot "miniatyrisera en kvantdator"

Projektet bygger på det arbete som Vamivakas Lab har bedrivit de senaste åren med volframdiselenid (WSe2) i så kallade Van der Waals heterostrukturer. Det arbetet använder lager av atomärt tunna material ovanpå varandra för att skapa eller fånga enstaka fotoner.

Den nya enheten använder en ny inriktning av WSe2 draperad över pelarna med en underliggande, mycket reaktivt skikt av kromtrijodid (CrI3). Där de atomärt tunna, 12-mikrons ytskikt berör, CrI3 ger en elektrisk laddning till WSe2, skapa ett "hål" bredvid var och en av pelarna.

Inom kvantfysik, ett hål kännetecknas av frånvaron av en elektron. Varje positivt laddat hål har också en binär nord/sydmagnetisk egenskap associerad med sig, så att var och en också är en nanomagnet

När enheten badas i laserljus, ytterligare reaktioner inträffar, att omvandla nanomagneterna till individuella optiskt aktiva spinnmatriser som sänder ut och interagerar med fotoner. Medan klassisk informationsbehandling handlar om bitar som har värden på antingen noll eller ett, spin-tillstånd kan koda både noll och en samtidigt, utöka möjligheterna till informationsbehandling.

"Att kunna styra hålspinorienteringen med hjälp av ultratunn och 12 mikron stor CrI3, ersätter behovet av att använda externa magnetfält från gigantiska magnetspolar som liknar de som används i MRI-system, " säger huvudförfattare och doktorand Arunabh Mukherjee. "Detta kommer att räcka långt i att miniatyrisera en kvantdator baserad på snurr med enstaka hål."

Återstår:Intrassling på avstånd?

Två stora utmaningar stod inför forskarna när de skapade enheten.

En var att skapa en inert miljö för att arbeta med den mycket reaktiva CrI3. Det var här samarbetet med Cornell University kom in i bilden. "De har mycket expertis med kromtrijodiden och eftersom vi arbetade med det för första gången, vi samordnade med dem om den aspekten av det, " säger Vamivakas. Till exempel, tillverkningen av CrI3 gjordes i kvävefyllda handskboxar för att undvika nedbrytning av syre och fukt.

Den andra utmaningen var att bestämma precis rätt konfiguration av pelare för att säkerställa att hålen och spinndalarna som är associerade med varje pelare kunde registreras korrekt för att så småningom länka till andra noder.

Och däri ligger nästa stora utmaning:att hitta ett sätt att skicka fotoner långa sträckor genom en optisk fiber till andra noder, samtidigt som de bevarar deras egenskaper av intrassling.

"Vi har ännu inte konstruerat enheten för att främja den typen av beteende, " säger Vamivakas. "Det är på vägen."