Новая техника квантового хранения может сделать квантовые сети возможными

Инженеры Калифорнийского технологического института разработали подход к квантовому хранению.

Это может помочь проложить путь к развитию крупномасштабных оптических квантовых сетей.

Новая система основана на ядерных спинах — угловом моменте ядра атома — коллективно колеблющихся в виде спиновой волны.

Это коллективное колебание эффективно связывает несколько атомов для хранения информации.

В работе, описанной в статье, опубликованной 16 февраля в журнале Nature, используется квантовый бит (или кубит), сделанный из иона иттербия (Yb), редкоземельного элемента, также используемого в лазерах.

Команда под руководством Андрея Фараона (BS ’04), профессора прикладной физики и электротехники, поместила ион в прозрачный кристалл ортованадата иттрия (YVO4) и манипулировала его квантовыми состояниями с помощью комбинации оптических и микроволновых полей.

Затем команда использовала кубит Yb для управления состояниями ядерных спинов нескольких окружающих атомов ванадия в кристалле.

«На основании нашей предыдущей работы было известно, что одиночные ионы иттербия являются отличными кандидатами для оптических квантовых сетей, но нам нужно было связать их с дополнительными атомами.

Мы демонстрируем это в этой работе», — говорит Фараон, соавтор статьи в Nature.

Устройство было изготовлено в Институте нанотехнологий Кавли Калифорнийского технологического института, а затем испытано при очень низких температурах в лаборатории Фараона.

Новый метод использования запутанных ядерных спинов в качестве квантовой памяти был вдохновлен методами, используемыми в ядерном магнитном резонансе (ЯМР).

«Чтобы хранить квантовую информацию в ядерных спинах, мы разработали новые методы, аналогичные тем, которые используются в машинах ЯМР, используемых в больницах», — говорит Джунхи Чой, научный сотрудник Калифорнийского технологического института и соавтор статьи. «Главная задача заключалась в том, чтобы адаптировать существующие методы для работы в отсутствие магнитного поля».

Уникальной особенностью этой системы является предопределенное расположение атомов ванадия вокруг иттербиевого кубита в соответствии с кристаллической решеткой. Каждый кубит, который измеряла команда, имел одинаковый регистр памяти, а это означает, что он будет хранить одну и ту же информацию.

«Возможность создать воспроизводимую и надежную технологию является ключом к ее успеху», — говорит аспирант Андрей Рускук, первый автор статьи.

«В научном контексте это позволило нам получить беспрецедентное понимание микроскопических взаимодействий между кубитами иттербия и атомами ванадия в их окружении».

Это исследование является частью более широких усилий лаборатории Фараона по закладке фундамента для будущих квантовых сетей.

Квантовые сети будут соединять квантовые компьютеры через систему, которая работает на квантовом, а не на классическом уровне.

Теоретически квантовые компьютеры однажды смогут выполнять определенные функции быстрее, чем классические компьютеры, используя особые свойства квантовой механики, включая суперпозицию, которая позволяет квантовым битам хранить информацию как 1 и 0 одновременно.

Как и в случае с классическими компьютерами, инженеры хотели бы иметь возможность подключать несколько квантовых компьютеров для обмена данными и совместной работы, создавая «квантовый интернет».

Это открыло бы двери для нескольких приложений, в том числе возможности выполнять вычисления, которые слишком велики для обработки одним квантовым компьютером, а также для установления нерушимой защищенной связи с использованием квантовой криптографии.

Статья называется «Ядерный квантовый регистр спиновых волн для твердотельного кубита».