I en serie tidningar, Rochester-forskare rapporterar stora framsteg för att förbättra överföringen av information i kvantsystem.

Kvantvetenskap har potential att revolutionera modern teknik med effektivare datorer, kommunikation, och avkänningsanordningar. Men utmaningarna kvarstår när det gäller att uppnå dessa tekniska mål, speciellt när det gäller att effektivt överföra information i kvantsystem.

Bitar används för att representera information i vanliga datorer. kvantdatorer, å andra sidan, är baserade på kvantbitar, även känd som qubits, som kan göras från en enda elektron.

Till skillnad från vanliga transistorer, som kan vara antingen "0" (av) eller "1" (på), qubits kan vara både "0" och "1" samtidigt. Förmågan hos individuella qubits att ockupera dessa så kallade superpositionstillstånd, där de befinner sig i flera tillstånd samtidigt, ligger bakom kvantdatorernas stora potential. Precis som vanliga datorer, dock, kvantdatorer behöver ett sätt att överföra kvantinformation mellan avlägsna kvantbitar - och det utgör en stor experimentell utmaning.

I en serie tidningar publicerade i Naturkommunikation , forskare vid University of Rochester, inklusive John Nichol, en biträdande professor i fysik och astronomi, och doktorander Yadav Kandel och Haifeng Qiao, huvudförfattarna till tidningarna, rapportera stora framsteg för att förbättra kvantberäkningar genom att förbättra överföringen av information mellan elektroner i kvantsystem.

I en tidning, forskarna visade en väg för att överföra information mellan qubits, kallas adiabatisk kvanttillståndsöverföring (AQT), för första gången med elektronspin-qubits. Till skillnad från de flesta metoder för att överföra information mellan qubits, som förlitar sig på noggrant inställda elektriska eller magnetiska fältpulser, AQT påverkas inte lika mycket av pulsfel och brus.

För att föreställa sig hur AQT fungerar, föreställ dig att du kör din bil och vill parkera den. Om du inte bromsar i rätt tid, bilen kommer inte vara där du vill ha den, med potentiella negativa konsekvenser. I det här sammanhanget, kontrollpulserna – gas- och bromspedalerna – till bilen måste trimmas noggrant. AQT är annorlunda genom att det inte spelar någon roll hur länge du trycker på pedalerna eller hur hårt du trycker på dem:bilen kommer alltid att hamna på rätt plats. Som ett resultat, AQT har potential att förbättra överföringen av information mellan qubits, vilket är viktigt för kvantnätverk och felkorrigering.

Forskarna visade AQT:s effektivitet genom att utnyttja intrassling - ett av kvantfysikens grundläggande begrepp där egenskaperna hos en partikel påverkar egenskaperna hos en annan, även när partiklarna är åtskilda på ett stort avstånd. Forskarna kunde använda AQT för att överföra en elektrons kvantspinntillstånd över en kedja av fyra elektroner i halvledarkvantprickar - små, nanoskala halvledare med anmärkningsvärda egenskaper. Detta är den längsta kedja över vilken ett spinntillstånd någonsin har överförts, knyta rekordet av forskarna i en tidigare Natur papper.

"Eftersom AQT är robust mot pulsfel och brus, och på grund av dess stora potentiella tillämpningar inom kvantberäkning, denna demonstration är en viktig milstolpe för kvantberäkningar med spin qubits, " säger Nichol.

Att utnyttja ett konstigt tillstånd av materia

I en andra tidning, forskarna visade en annan teknik för att överföra information mellan qubits, använder ett exotiskt tillstånd av materia som kallas tidskristaller. En tidskristall är ett konstigt tillstånd av materia där interaktioner mellan partiklarna som utgör kristallen kan stabilisera svängningar i systemet i tiden på obestämd tid. Föreställ dig en klocka som fortsätter att ticka för alltid; klockans pendel svänger i tiden, ungefär som den oscillerande tidskristallen.

Genom att implementera en serie elektriska fältpulser på elektroner, forskarna kunde skapa ett tillstånd som liknar en tidskristall. De fann att de sedan kunde utnyttja detta tillstånd för att förbättra överföringen av en elektrons spinntillstånd i en kedja av halvledarkvantprickar.

"Vårt arbete tar de första stegen mot att visa hur konstiga och exotiska tillstånd av materia, som tidskristaller, kan potentiellt användas för applikationer för bearbetning av kvantinformation, som att överföra information mellan qubits, ", säger Nichol. "Vi visar också teoretiskt hur det här scenariot kan implementera andra en- och multi-qubit-operationer som kan användas för att förbättra prestanda hos kvantdatorer."

Både AQT och tidskristaller, medan olika, skulle kunna användas samtidigt med kvantberäkningssystem för att förbättra prestandan.

"Dessa två resultat illustrerar de märkliga och intressanta sätt som kvantfysiken tillåter att information skickas från en plats till en annan, vilket är en av huvudutmaningarna i att konstruera livskraftiga kvantdatorer och nätverk, " säger Nichol.