Ett framtida kvantnätverk kan bli mindre svårt tack vare forskare vid University of Chicago, Argonne National Laboratory och Cambridge University.
Ett team av forskare tillkännagav ett genombrott inom kvantnätverksteknik. Genom att "sträcka ut" tunna filmer av diamant skapade de kvantbitar som kan fungera med avsevärt minskad utrustning och kostnad. Ändringen gör också bitarna lättare att kontrollera.
Forskarna hoppas att resultaten, publicerade 29 november i Physical Review X , kan göra framtida kvantnät mer genomförbara.
"Den här tekniken låter dig dramatiskt höja driftstemperaturen för dessa system, till en punkt där det är mycket mindre resurskrävande att använda dem", säger Alex High, biträdande professor vid Pritzker School of Molecular Engineering, vars labb ledde studien.
Kvantbitar, eller qubits, har unika egenskaper som gör dem intressanta för forskare som söker efter framtiden för datornätverk – till exempel kan de göras praktiskt taget ogenomträngliga för hackningsförsök. Men det finns betydande utmaningar att lösa innan det kan bli en utbredd, vardaglig teknik.
En av huvudproblemen ligger inom "noderna" som skulle vidarebefordra information längs ett kvantnätverk. Qubits som utgör dessa noder är mycket känsliga för värme och vibrationer, så forskare måste kyla ner dem till extremt låga temperaturer för att fungera.
"De flesta qubits idag kräver ett speciellt kylskåp i storleken av ett rum och ett team av välutbildade människor för att driva det, så om du föreställer dig ett industriellt kvantnätverk där du måste bygga ett var femte eller tionde kilometer, nu pratar om en hel del infrastruktur och arbetskraft", förklarade High.
Highs labb arbetade med forskare från Argonne National Laboratory, ett nationellt labb från det amerikanska energidepartementet som är knutet till UChicago, för att experimentera med materialen som dessa qubits är gjorda av för att se om de kan förbättra tekniken.
En av de mest lovande typerna av qubits är gjord av diamanter. Dessa qubits är kända som grupp IV-färgcentra och är kända för sin förmåga att upprätthålla kvantintrassling under relativt långa perioder, men för att göra det måste de kylas ner till bara ett steg över absoluta nollpunkten.
Teamet ville mixtra med materialets struktur för att se vilka förbättringar de kunde göra – en svår uppgift med tanke på hur hårda diamanter är. Men forskarna fann att de kunde "sträcka ut" diamanten på molekylär nivå om de lade en tunn film av diamant över hett glas. När glaset svalnar krymper det långsammare än diamanten, vilket töjer diamantens atomstruktur något – som att trottoaren expanderar eller drar ihop sig när jorden svalnar eller värms under den, förklarade High.
Denna sträckning, även om den bara flyttar isär atomerna oändligt mycket, har en dramatisk effekt på hur materialet beter sig.
För det första kunde qubitarna nu hålla sin koherens vid temperaturer upp till 4 Kelvin (eller -452°F). Det är fortfarande väldigt kallt, men det kan uppnås med mindre specialiserad utrustning. "Det är en storleksskillnad i infrastruktur och driftskostnader," sa High.
För det andra gör förändringen det också möjligt att styra qubits med mikrovågor. Tidigare versioner var tvungna att använda ljus i den optiska våglängden för att mata in information och manipulera systemet, vilket introducerade brus och innebar att tillförlitligheten inte var perfekt. Genom att använda det nya systemet och mikrovågorna gick dock troheten upp till 99%.
Det är ovanligt att se förbättringar inom båda dessa områden samtidigt, förklarade Xinghan Guo, en Ph.D. student i fysik i Highs labb och första författare på tidningen.
"Om ett system har en längre koherenslivstid beror det vanligtvis på att det är bra på att "ignorera" extern störning - vilket betyder att det är svårare att kontrollera, eftersom det motstår den störningen", sa han. "Det är väldigt spännande att vi genom att göra en mycket grundläggande innovation med materialvetenskap kunde överbrygga detta dilemma."
"Genom att förstå fysiken som spelar in för grupp IV-färgcentra i diamant, har vi framgångsrikt skräddarsytt deras egenskaper till behoven av kvantapplikationer", säger Argonne National Laboratory-forskaren Benjamin Pingault, också medförfattare till studien.
"Med kombinationen av förlängd koherent tid och genomförbar kvantkontroll via mikrovågor är vägen till utveckling av diamantbaserade enheter för kvantnätverk klar för tenn vakanscentra", tillade Mete Atature, professor i fysik vid Cambridge University och en medförfattare. på studien.
Mer information: Xinghan Guo et al., Mikrovågsbaserad kvantkontroll och koherensskydd av tennvakanssnurrbitar i en stamtrimmad diamant-membran-heterostruktur, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041037
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av University of Chicago
