I forskning som kan sätta fart på arbetet mot kvantinternet har forskare vid MIT och University of Cambridge byggt och testat en utsökt liten enhet som kan möjliggöra ett snabbt och effektivt flöde av kvantinformation över stora avstånd.
Nyckeln till enheten är en "mikrochiplet" gjord av diamant där några av diamantens kolatomer är ersatta med tennatomer. Teamets experiment tyder på att enheten, som består av vågledare för ljuset att bära kvantinformationen, löser en paradox som har hindrat ankomsten av stora, skalbara kvantnätverk.
Kvantinformation i form av kvantbitar, eller qubits, störs lätt av omgivningsbrus, som magnetfält, som förstör informationen. Så å ena sidan är det önskvärt att ha qubits som inte interagerar starkt med miljön. Å andra sidan måste dock dessa qubits interagera starkt med ljuset, eller fotoner, nyckeln till att transportera informationen över avstånd.
MIT- och Cambridge-forskarna tillåter båda genom att samintegrera två olika typer av qubits som arbetar tillsammans för att spara och överföra information. Vidare rapporterar teamet hög effektivitet i överföringen av den informationen.
"Detta är ett kritiskt steg eftersom det visar genomförbarheten av att integrera elektroniska och nukleära qubits i en mikrochiplet. Denna integration adresserar behovet av att bevara kvantinformation över långa avstånd och samtidigt bibehålla stark interaktion med fotoner. Detta var möjligt genom kombinationen av styrkorna hos teamen från University of Cambridge och MIT", säger Dirk Englund, docent vid MIT:s avdelning för elektroteknik och datavetenskap (EECS) och ledare för MIT-teamet. Englund är också knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.
Professor Mete Atatüre, ledare för Cambridge-teamet, säger:"Resultaten är ett resultat av ett starkt samarbete mellan de två forskarteamen under åren. Det är fantastiskt att se kombinationen av teoretisk förutsägelse, tillverkning av enheter och implementering av nya kvantoptiska kontroller allt i ett verk."
Verket publicerades i Nature Photonics .
En datorbit kan ses som vad som helst med två olika fysiska tillstånd, som "på" och "av", för att representera noll och ett. I kvantmekanikens märkliga ultralilla värld har en qubit "den extra egenskapen att istället för att vara i bara ett av dessa två tillstånd, kan den vara i en superposition av de två tillstånden. Så den kan vara i båda dessa tillstånd samtidigt", säger Martínez. Flera qubits som är intrasslade, eller korrelerade med varandra, kan dela mycket mer information än de bitar som är associerade med konventionell datoranvändning. Därav den potentiella kraften hos kvantdatorer.
Det finns många typer av qubits, men två vanliga typer är baserade på spinn, eller rotationen av en elektron eller en kärna (vänster till höger eller höger till vänster). Den nya enheten involverar både elektroniska och nukleära qubits.
En snurrande elektron, eller elektronisk qubit, är mycket bra på att interagera med omgivningen, medan den snurrande kärnan i en atom, eller nukleär qubit, inte är det. "Vi har kombinerat en qubit som är välkänd för att interagera lätt med ljus med en qubit som är välkänd för att vara väldigt isolerad och därmed bevara information under lång tid. Genom att kombinera dessa två tror vi att vi kan få ut det bästa av båda världarna", säger Martínez.
Hur fungerar det? "Elektronen [elektronisk qubit] som susar med i diamanten kan fastna vid tenndefekten", säger Harris. Och denna elektroniska qubit kan sedan överföra sin information till den snurrande tennkärnan, den nukleära qubiten.
"Den analogi jag gillar att använda är solsystemet", fortsätter Harris. "Du har solen i mitten, det är tennkärnan, och sedan har du jorden runt den, och det är elektronen. Vi kan välja att lagra informationen i jordens rotationsriktning, det är vår elektroniska qubit. Eller vi kan lagra informationen i solens riktning, som roterar runt sin egen axel. Det är kärnkraften."
I allmänhet bär alltså ljus information genom en optisk fiber till den nya enheten, som inkluderar en stapel av flera små diamantvågledare som var och en är cirka 1 000 gånger mindre än ett människohår. Flera enheter kan alltså fungera som noder som styr informationsflödet på kvantinternet.
Arbetet som beskrivs i Nature Photonics innebär experiment med en enhet. "Så småningom kan det dock finnas hundratals eller tusentals av dessa på ett mikrochip", säger Martínez. I en studie från 2020 som publicerades i Nature , MIT-forskare, inklusive flera av de nuvarande författarna, beskrev sin vision för arkitekturen som kommer att möjliggöra storskalig integration av enheterna.
Harris noterar att hans teoretiska arbete hade förutspått en stark interaktion mellan tennkärnan och den inkommande elektroniska qubiten. "Den var tio gånger större än vi förväntade oss att den skulle vara, så jag trodde att beräkningen förmodligen var fel. Sedan kom Cambridge-teamet och mätte det, och det var snyggt att se att förutsägelsen bekräftades av experimentet."
Håller med Martínez, "Teorin plus experimenten övertygade oss till slut om att [dessa interaktioner] verkligen ägde rum."
Mer information: Ryan A. Parker et al., A diamond nanophotonic interface with a optiskt tillgänglig deterministic electronuclear spin register, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01332-8
Journalinformation: Naturfotonik , Natur
Tillhandahålls av Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
