Международная группа ученых продемонстрировала скачок в сохранении квантовой когерентности спиновых кубитов квантовых точек в рамках глобального продвижения практических квантовых сетей и квантовых компьютеров.
Эти технологии будут иметь огромное значение для широкого спектра отраслей промышленности и научных исследований: от безопасности передачи информации, поиска материалов и химических веществ с новыми свойствами до измерений фундаментальных физических явлений, требующих точной синхронизации времени между датчиками.
Спин-фотонные интерфейсы являются элементарными строительными блоками для квантовых сетей, которые позволяют преобразовывать стационарную квантовую информацию (такую как квантовое состояние иона или твердотельного спинового кубита) в свет, а именно фотоны, которые могут распространяться на большие расстояния. Основная задача состоит в том, чтобы найти интерфейс, который одновременно хорошо хранит квантовую информацию и эффективно преобразует ее в свет. Оптически активные полупроводниковые квантовые точки являются самым эффективным спин-фотонным интерфейсом, известным на сегодняшний день, но увеличение времени хранения информации более нескольких микросекунд озадачило физиков, несмотря на десятилетние исследования. Теперь исследователи из Кембриджского университета, Университета Линца и Университета Шеффилда показали, что существует простое материальное решение этой проблемы, которое улучшает хранение квантовой информации за пределы сотен микросекунд.
Квантовые точки – это кристаллические структуры, состоящие из многих тысяч атомов. Ядра каждого из этих атомов имеют магнитный дипольный момент, который связывается с электроном квантовой точки и может привести к потере квантовой информации, хранящейся в электронном кубите. Вывод исследовательской группы, о котором сообщается в журнале Nature Nanotechnology, заключается в том, что в устройстве, построенном из полупроводниковых материалов с одинаковым параметром решетки, ядра «чувствовали» одну и ту же среду и вели себя в унисон. В результате появилась возможность отфильтровать этот ядерный шум и добиться улучшения времени хранения данных почти на два порядка.
«Это совершенно новый режим для оптически активных квантовых точек, когда мы можем отключить взаимодействие с ядрами и снова и снова перенаправлять спин электрона, чтобы сохранить его квантовое состояние», – говорит Клэр Ле Галл из Кавендишской лаборатории Кембриджа, возглавлявшая проект. В своей работе мы продемонстрировали сотни микросекунд, но на самом деле, теперь, когда мы находимся в этом режиме, мы знаем, что гораздо большее время когерентности находится в пределах досягаемости«. Для спинов в квантовых точках короткое время когерентности было самым большим препятствием для применения, и этот результат предлагает ясное и простое решение этой проблемы».
Впервые исследуя стомикросекундные временные масштабы, исследователи были приятно удивлены тем, что электрон видит только шум от ядер, в отличие, скажем, от электрического шума в устройстве. Это действительно отличная позиция, поскольку ядерный ансамбль является изолированной квантовой системой, а когерентный электрон станет воротами к квантовым явлениям в большом ядерном спиновом ансамбле.
Еще одна вещь, которая удивила исследователей, – это «звук», который издавали ядра. Он оказался не таким гармоничным, как предполагалось вначале, и есть возможности для дальнейшего улучшения квантовой когерентности системы путем дальнейшей инженерии материалов.
«Когда мы начали работать с системой материалов с подобранной решеткой, использованной в данной работе, получить квантовые точки с четко определенными свойствами и хорошим оптическим качеством было нелегко», – говорит Армандо Растелли, соавтор данной работы из Университета Линца. «Очень приятно видеть, что первоначально любопытная линия исследования довольно «экзотической» системы и настойчивость опытных членов команды Сантану Манна и Саймона Ковре да Силва привели к созданию устройств, лежащих в основе этих впечатляющих результатов. Теперь мы знаем, на что годятся наши наноструктуры, и мы в восторге от перспективы дальнейшей разработки их свойств вместе с нашими коллегами».
«Одна из самых захватывающих вещей в этом исследовании – укрощение сложной квантовой системы: сотни тысяч ядер, сильно связанных с хорошо контролируемым спином электрона», – объясняет аспирант Кавендиша Леон Запорски – первый автор статьи. «Большинство исследователей решают проблему изоляции кубита от шума путем удаления всех взаимодействий. Их кубиты становятся похожими на усыпленных котов Шредингера, которые едва реагируют на то, что кто-то дергает их за хвост. Наша «кошка» находится на сильных стимуляторах, что – на практике – означает, что мы можем веселиться с ней больше».
«Квантовые точки теперь сочетают в себе высокую фотонную квантовую эффективность с большим временем спиновой когерентности», – объясняет профессор Мете Ататюре, соавтор данной работы. «В ближайшем будущем мы предполагаем, что эти устройства позволят создавать запутанные световые состояния для всефотонных квантовых вычислений и позволят проводить фундаментальные эксперименты по квантовому управлению ансамблем ядерных спинов».
Эти технологии будут иметь огромное значение для широкого спектра отраслей промышленности и научных исследований: от безопасности передачи информации, поиска материалов и химических веществ с новыми свойствами до измерений фундаментальных физических явлений, требующих точной синхронизации времени между датчиками.
Спин-фотонные интерфейсы являются элементарными строительными блоками для квантовых сетей, которые позволяют преобразовывать стационарную квантовую информацию (такую как квантовое состояние иона или твердотельного спинового кубита) в свет, а именно фотоны, которые могут распространяться на большие расстояния. Основная задача состоит в том, чтобы найти интерфейс, который одновременно хорошо хранит квантовую информацию и эффективно преобразует ее в свет. Оптически активные полупроводниковые квантовые точки являются самым эффективным спин-фотонным интерфейсом, известным на сегодняшний день, но увеличение времени хранения информации более нескольких микросекунд озадачило физиков, несмотря на десятилетние исследования. Теперь исследователи из Кембриджского университета, Университета Линца и Университета Шеффилда показали, что существует простое материальное решение этой проблемы, которое улучшает хранение квантовой информации за пределы сотен микросекунд.
Квантовые точки – это кристаллические структуры, состоящие из многих тысяч атомов. Ядра каждого из этих атомов имеют магнитный дипольный момент, который связывается с электроном квантовой точки и может привести к потере квантовой информации, хранящейся в электронном кубите. Вывод исследовательской группы, о котором сообщается в журнале Nature Nanotechnology, заключается в том, что в устройстве, построенном из полупроводниковых материалов с одинаковым параметром решетки, ядра «чувствовали» одну и ту же среду и вели себя в унисон. В результате появилась возможность отфильтровать этот ядерный шум и добиться улучшения времени хранения данных почти на два порядка.
«Это совершенно новый режим для оптически активных квантовых точек, когда мы можем отключить взаимодействие с ядрами и снова и снова перенаправлять спин электрона, чтобы сохранить его квантовое состояние», – говорит Клэр Ле Галл из Кавендишской лаборатории Кембриджа, возглавлявшая проект. В своей работе мы продемонстрировали сотни микросекунд, но на самом деле, теперь, когда мы находимся в этом режиме, мы знаем, что гораздо большее время когерентности находится в пределах досягаемости«. Для спинов в квантовых точках короткое время когерентности было самым большим препятствием для применения, и этот результат предлагает ясное и простое решение этой проблемы».
Впервые исследуя стомикросекундные временные масштабы, исследователи были приятно удивлены тем, что электрон видит только шум от ядер, в отличие, скажем, от электрического шума в устройстве. Это действительно отличная позиция, поскольку ядерный ансамбль является изолированной квантовой системой, а когерентный электрон станет воротами к квантовым явлениям в большом ядерном спиновом ансамбле.
Еще одна вещь, которая удивила исследователей, – это «звук», который издавали ядра. Он оказался не таким гармоничным, как предполагалось вначале, и есть возможности для дальнейшего улучшения квантовой когерентности системы путем дальнейшей инженерии материалов.
«Когда мы начали работать с системой материалов с подобранной решеткой, использованной в данной работе, получить квантовые точки с четко определенными свойствами и хорошим оптическим качеством было нелегко», – говорит Армандо Растелли, соавтор данной работы из Университета Линца. «Очень приятно видеть, что первоначально любопытная линия исследования довольно «экзотической» системы и настойчивость опытных членов команды Сантану Манна и Саймона Ковре да Силва привели к созданию устройств, лежащих в основе этих впечатляющих результатов. Теперь мы знаем, на что годятся наши наноструктуры, и мы в восторге от перспективы дальнейшей разработки их свойств вместе с нашими коллегами».
«Одна из самых захватывающих вещей в этом исследовании – укрощение сложной квантовой системы: сотни тысяч ядер, сильно связанных с хорошо контролируемым спином электрона», – объясняет аспирант Кавендиша Леон Запорски – первый автор статьи. «Большинство исследователей решают проблему изоляции кубита от шума путем удаления всех взаимодействий. Их кубиты становятся похожими на усыпленных котов Шредингера, которые едва реагируют на то, что кто-то дергает их за хвост. Наша «кошка» находится на сильных стимуляторах, что – на практике – означает, что мы можем веселиться с ней больше».
«Квантовые точки теперь сочетают в себе высокую фотонную квантовую эффективность с большим временем спиновой когерентности», – объясняет профессор Мете Ататюре, соавтор данной работы. «В ближайшем будущем мы предполагаем, что эти устройства позволят создавать запутанные световые состояния для всефотонных квантовых вычислений и позволят проводить фундаментальные эксперименты по квантовому управлению ансамблем ядерных спинов».
