Van stationaire naar vliegende qubits met nooit eerder bereikte snelheden…. Deze prestatie, bereikt door een team van Polytechnique Montréal en het Franse Centre national de la recherche scientifique (CNRS), brengt ons een beetje dichter bij het tijdperk waarin informatie wordt overgedragen via kwantumprincipes.

Een paper getiteld "High-Fidelity and Ultrafast Initialization of a Hole-Spin Bound to a Te Isoelectronic Center in ZnSe" is onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . De creatie van een qubit in zinkselenide, een bekend halfgeleidermateriaal, maakte het mogelijk om een ​​interface te maken tussen de kwantumfysica die het gedrag van materie op nanometerschaal regelt en de overdracht van informatie met de snelheid van het licht, daarmee de weg vrijmakend voor het produceren van kwantumcommunicatienetwerken.

Klassieke fysica versus kwantumfysica

In de computers van tegenwoordig, klassieke natuurkundige regels. Miljarden elektronen werken samen om een ​​informatiebit te vormen:0, elektronen zijn afwezig en 1, elektronen aanwezig zijn. In de kwantumfysica, enkele elektronen hebben in plaats daarvan de voorkeur omdat ze een verbazingwekkende eigenschap uitdrukken:het elektron kan de waarde 0 aannemen, 1 of een superpositie van deze twee toestanden. Dit is de qubit, het kwantumequivalent van het klassieke bit. Qubits bieden verbluffende mogelijkheden voor onderzoekers.

Een elektron draait om zichzelf, een beetje als een tol. Dat is de draai. Door een magnetisch veld aan te leggen, deze spin wijst omhoog, omlaag, of wijst tegelijkertijd zowel omhoog als omlaag om een ​​qubit te vormen. Nog steeds beter, in plaats van een elektron te gebruiken, we kunnen de afwezigheid van een elektron gebruiken; dit is wat natuurkundigen een 'gat' noemen. Net als zijn elektronische neef, het gat heeft een spin waaruit een qubit kan worden gevormd. Qubits zijn intrinsiek fragiele kwantumwezens, ze hebben daarom een ​​speciale omgeving nodig.

Zinkselenide, tellurium onzuiverheden:een wereldprimeur

Zinkselenide, of ZnSe, is een kristal waarin atomen precies zijn georganiseerd. Het is ook een halfgeleider waarin het gemakkelijk is om opzettelijk telluriumverontreinigingen te introduceren, een naaste verwant van selenium in het periodiek systeem, waarop gaten zijn opgesloten, eerder als luchtbellen in een glas.

Deze omgeving beschermt de spin van het gat - onze qubit - en helpt de kwantuminformatie gedurende langere perioden nauwkeurig te houden; het is de coherentietijd, de tijd die natuurkundigen over de hele wereld met alle mogelijke middelen proberen te verlengen. De keuze voor zinkselenide is doelgericht, omdat het de stilste omgeving van alle halfgeleidermaterialen kan bieden.

Philippe St-Jean, een doctoraatsstudent in het team van professor Sébastien Francoeur, gebruikt fotonen die door een laser worden gegenereerd om het gat te initialiseren en er kwantuminformatie op vast te leggen. Om het te lezen, hij prikkelt het gat opnieuw met een laser en verzamelt vervolgens de uitgezonden fotonen. Het resultaat is een kwantumoverdracht van informatie tussen de stationaire qubit, gecodeerd in de spin van het gat gevangen gehouden in het kristal, en de vliegende qubit - het foton, die natuurlijk met de snelheid van het licht reist.

Deze nieuwe techniek laat zien dat het mogelijk is om sneller een qubit te maken dan met alle methoden die tot nu toe zijn gebruikt. Inderdaad, slechts een honderdtal picoseconden, of minder dan een miljardste van een seconde, zijn voldoende om van een vliegende qubit naar een statische qubit te gaan, en vice versa.

Hoewel deze prestatie veel goeds belooft, er moet nog veel gebeuren voordat een kwantumnetwerk kan worden gebruikt om onvoorwaardelijk veilige banktransacties uit te voeren of een kwantumcomputer te bouwen die de meest complexe berekeningen kan uitvoeren. Dat is de ontmoedigende taak die het onderzoeksteam van Sébastien Francoeur zal blijven aanpakken.