Forskare har hittat ett sätt att använda ljus och en enda elektron för att kommunicera med ett moln av kvantbitar och känna av deras beteende, gör det möjligt att detektera en enda kvantbit i ett tätt moln.

Forskarna, från University of Cambridge, kunde injicera en "nål" av mycket ömtålig kvantinformation i en "höstack" på 100, 000 kärnor. Använda lasrar för att styra en elektron, forskarna kunde sedan använda den elektronen för att kontrollera höstackens beteende, gör det lättare att hitta nålen. De kunde detektera "nålen" med en precision på 1,9 delar per miljon:tillräckligt hög för att detektera en enda kvantbit i denna stora ensemble.

Tekniken gör det möjligt att skicka mycket ömtålig kvantinformation optiskt till ett kärnkraftssystem för lagring, och för att verifiera dess avtryck med minimal störning, ett viktigt steg i utvecklingen av ett kvantinternet baserat på kvantljuskällor. Resultaten redovisas i tidskriften Naturfysik .

De första kvantdatorerna – som kommer att utnyttja subatomära partiklars konstiga beteende för att vida överträffa även de mest kraftfulla superdatorerna – är vid horisonten. Dock, att utnyttja deras fulla potential kommer att kräva ett sätt att nätverka dem:ett kvantinternet. Ljuskanaler som överför kvantinformation är lovande kandidater för ett kvantinternet, och för närvarande finns det ingen bättre kvantljuskälla än halvledarkvantpunkten:små kristaller som i huvudsak är artificiella atomer.

Dock, en sak står i vägen för kvantprickar och ett kvantinternet:möjligheten att tillfälligt lagra kvantinformation vid mellanstationer längs nätverket.

"Lösningen på det här problemet är att lagra den ömtåliga kvantinformationen genom att gömma den i molnet av 100, 000 atomkärnor som varje kvantprick innehåller, som en nål i en höstack, " sa professor Mete Atatüre från Cambridges Cavendish Laboratory, som ledde forskningen. "Men om vi försöker kommunicera med dessa kärnor som vi kommunicerar med bitar, de tenderar att "vända" slumpmässigt, skapa ett bullrigt system."

Molnet av kvantbitar som finns i en kvantprick fungerar normalt inte i ett kollektivt tillstånd, vilket gör det till en utmaning att få information i eller ur dem. Dock, Atatüre och hans kollegor visade 2019 att när de kyldes till ultralåga temperaturer också med hjälp av ljus, dessa kärnor kan fås att göra "kvantdanser" unisont, avsevärt minska mängden buller i systemet.

Nu, de har visat ytterligare ett grundläggande steg mot att lagra och hämta kvantinformation i kärnorna. Genom att kontrollera det kollektiva tillståndet av de 100, 000 kärnor, de kunde upptäcka förekomsten av kvantinformationen som en "flippad kvantbit" med en ultrahög precision på 1,9 ppm:tillräckligt för att se en enda bit vända i molnet av kärnor.

"Tekniskt sett är detta extremt krävande, sa Atatüre, som också är Fellow vid St John's College. "Vi har inte ett sätt att "prata" med molnet och molnet har inte ett sätt att prata med oss. Men det vi kan prata med är en elektron:vi kan kommunicera med den ungefär som en hund som vallar får."

Med hjälp av ljuset från en laser, forskarna kan kommunicera med en elektron, som sedan kommunicerar med snurren, eller inneboende vinkelmomentum, av kärnorna.

Genom att prata med elektronen, den kaotiska ensemblen av snurrar börjar svalna och samlas kring den herdeelektronen; ur detta mer ordnade tillstånd, elektronen kan skapa spinnvågor i kärnorna.

"Om vi ​​föreställer oss vårt moln av snurr som en flock på 100, 000 får som rör sig slumpmässigt, ett får som plötsligt ändrar riktning är svårt att se, " sa Atatüre. "Men om hela flocken rör sig som en väldefinierad våg, då blir ett enda får som ändrar riktning mycket märkbart."

Med andra ord, att injicera en spinnvåg gjord av en enda kärnspinnflip i ensemblen gör det lättare att upptäcka en enda kärnspinnflip bland 100, 000 kärnkraftssnurr.

Genom att använda denna teknik, forskarna kan skicka information till kvantbiten och "lyssna in" på vad snurrarna säger med minimal störning, ner till den fundamentala gräns som kvantmekaniken sätter.

"Efter att ha utnyttjat denna kontroll och avkänningsförmåga över denna stora ensemble av kärnor, vårt nästa steg blir att demonstrera lagring och hämtning av en godtycklig kvantbit från kärnspinnregistret, " sa medförfattaren Daniel Jackson, en Ph.D. student vid Cavendish Laboratory.

"Detta steg kommer att slutföra ett kvantminne kopplat till ljus - en viktig byggsten på vägen mot att förverkliga kvantinternet, " sa medförfattaren Dorian Gangloff, forskare vid St John's College.

Förutom dess potentiella användning för ett framtida kvantinternet, Tekniken kan också vara användbar i utvecklingen av solid-state quantum computing.