Framtida kvantelektronik kommer att skilja sig väsentligt från konventionell elektronik. Medan minnet i det senare lagras som binära siffror, lagras det förra som qubits, som kan ta många former, såsom infångade elektroner i nanostrukturer som kallas kvantprickar. Men utmaningar med att överföra denna information till något längre än den intilliggande kvantpunkten har begränsad qubit-design.

Nu, i en studie som nyligen publicerades i Physical Review Letters , forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo löser detta problem, De utvecklade en ny teknik för att överföra kvantinformation över kanske tio till hundra mikrometer. Detta framsteg kan förbättra funktionaliteten hos kommande kvantelektronik.

Hur kan forskare överföra kvantinformation, från en kvantprick till en annan, på samma kvantdatorchip? Ett sätt kan vara att omvandla information om elektron (materia) till ljus (elektromagnetisk våg) information – genom att generera hybridtillstånd mellan ljus och materia.

Tidigare arbete har varit oförenligt med en-elektronbehoven för bearbetning av kvantinformation. Att förbättra kvantinformationsöverföringen med hög hastighet på ett sätt som är mer flexibelt i design och är kompatibelt med de halvledartillverkningsverktyg som för närvarande finns tillgängliga var målet med forskargruppens studie.

"I vårt arbete kopplar vi några elektroner i kvantpunkten till en elektrisk krets känd som en terahertz split-ring resonator", förklarar Kazuyuki Kuroyama, huvudförfattare till studien. "Designen är enkel och lämplig för storskalig integration."

Tidigare arbete har baserats på att koppla resonatorn med en ensemble på tusentals till tiotusentals elektroner. Faktum är att kopplingsstyrkan är baserad på den stora storleken på denna ensemble. Däremot begränsar det nuvarande systemet endast ett fåtal elektroner, vilket är lämpligt för kvantinformationsbehandling. Ändå är både elektroner och terahertz elektromagnetiska vågor begränsade till ett extremt litet område. Därför är kopplingsstyrkan jämförbar i styrka med den för många-elektronsystem.

"Vi är glada eftersom vi använder strukturer som är utbredda inom avancerad nanoteknik - och som vanligtvis är integrerade i halvledartillverkning - för att hjälpa till att lösa ett praktiskt problem med överföring av kvantinformation", säger Kazuhiko Hirakawa, senior författare. "Vi ser också fram emot att använda våra rön för att förstå den grundläggande fysiken för ljus-elektronkopplade tillstånd."

Detta arbete är ett viktigt steg framåt för att lösa ett tidigare irriterande problem med att överföra kvantinformation som har begränsad tillämpning av laboratoriefynd. Dessutom betraktas sådan omvandling av ljus-materia som en av de väsentliga arkitekturerna för storskaliga kvantdatorer baserade på halvledarkvantpunkter. Eftersom forskarnas resultat är baserade på material och procedurer som är vanliga inom halvledartillverkning bör praktisk implementering vara enkel.

Mer information: Kazuyuki Kuroyama et al, Coherent Interaction of a Few-Electron Quantum Dot with a Terahertz Optical Resonator, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.066901. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2204.10522

Tillhandahålls av University of Tokyo