Hoe kan kwantuminformatie zo lang mogelijk worden bewaard? Een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van kwantumgeheugens is gezet door een onderzoeksteam van de TU Wien.

Conventionele geheugens die in de hedendaagse computers worden gebruikt, maken alleen onderscheid tussen de bitwaarden 0 en 1. In de kwantumfysica, echter, willekeurige superposities van deze twee toestanden zijn mogelijk. De meeste ideeën voor nieuwe kwantumtechnologie-apparaten zijn gebaseerd op dit "superpositieprincipe". Een van de grootste uitdagingen bij het gebruik van dergelijke toestanden is dat ze meestal van korte duur zijn. Slechts voor een korte periode kan informatie betrouwbaar uit kwantumgeheugens worden uitgelezen, daarna is het onherstelbaar.

Een onderzoeksteam van de TU Wien heeft nu een belangrijke stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van nieuwe quantumopslagconcepten. In samenwerking met de Japanse telecommunicatiegigant NTT, de Weense onderzoekers onder leiding van Johannes Majer werken aan kwantumgeheugens op basis van stikstofatomen en microgolven. De stikstofatomen hebben iets andere eigenschappen, wat snel leidt tot het verlies van de kwantumtoestand. Door specifiek een klein deel van de atomen te veranderen, men kan de resterende atomen in een nieuwe kwantumtoestand brengen, met een levensduurverbetering van meer dan een factor tien. Deze resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

Stikstof in diamant

"We gebruiken synthetische diamanten waarin individuele stikstofatomen zijn geïmplanteerd", legt projectleider Johannes Majer van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica van de TU Wien uit. "De kwantumtoestand van deze stikstofatomen is gekoppeld aan microgolven, resulterend in een kwantumsysteem waarin we informatie opslaan en lezen."

Echter, de bewaartijd in deze systemen is beperkt door de inhomogene verbreding van de microgolfovergang in de stikstofatomen van het diamantkristal. Na ongeveer een halve microseconde, de kwantumtoestand kan niet meer betrouwbaar worden uitgelezen, het eigenlijke signaal gaat verloren. Johannes Majer en zijn team gebruikten een concept dat bekend staat als "spectral hole burning", waardoor gegevens kunnen worden opgeslagen in het optische bereik van inhomogeen verbrede media, en aangepast voor suprageleidende kwantumcircuits en spinkwantumgeheugens.

Dmitry Krimer, Benedikt Hartl en Stefan Rotter (Instituut voor Theoretische Fysica, TU Wien) hebben in hun theoretische werk aangetoond dat dergelijke staten, die grotendeels zijn ontkoppeld van het storende geluid, komen ook voor in deze systemen. "De truc is om het kwantumsysteem in deze duurzame toestanden te manoeuvreren door middel van specifieke manipulatie, met als doel om daar informatie op te slaan, " legt Dmitry Krimer uit.

Exclusief specifieke energieën

"De overgangsgebieden in de stikstofatomen hebben iets verschillende energieniveaus vanwege de lokale eigenschappen van het niet helemaal perfecte diamantkristal", legt Stefan Putz uit, de eerste auteur van de studie, die sindsdien van de TU Wien naar Princeton University is verhuisd. "Als je microgolven gebruikt om selectief een paar stikstofatomen te veranderen die zeer specifieke energieën hebben, je kunt een "spectraal gat" maken. De resterende stikstofatomen kunnen dan in een nieuwe kwantumtoestand worden gebracht, een zogenaamde "donkere staat", in het midden van deze gaten. Deze toestand is veel stabieler en opent geheel nieuwe mogelijkheden."

"Ons werk is een 'proof of principle' - we presenteren een nieuw concept, laten zien dat het werkt, en we willen de basis leggen voor verdere verkenning van innovatieve operationele protocollen van kwantumdata, ', zegt Stefan Putz.

Met deze nieuwe methode de levensduur van kwantumtoestanden van het gekoppelde systeem van microgolven en stikstofatomen nam met meer dan één orde van grootte toe tot ongeveer vijf microseconden. Dit is nog steeds niet veel in de standaard van het dagelijks leven, maar in dit geval is het voldoende voor belangrijke kwantumtechnologische toepassingen. "Het voordeel van ons systeem is dat men binnen nanoseconden kwantuminformatie kan schrijven en lezen, " legt Johannes Majer uit. "Daardoor zijn in microseconden een groot aantal werkstappen mogelijk, waarin het systeem stabiel blijft."