Een kwantuminternet belooft volledig veilige communicatie. Maar het gebruik van kwantumbits of qubits om informatie te vervoeren vereist een radicaal nieuw stuk hardware:een kwantumgeheugen. Dit apparaat op atomaire schaal moet kwantuminformatie opslaan en omzetten in licht om over het netwerk te verzenden.

Een grote uitdaging voor deze visie is dat qubits extreem gevoelig zijn voor hun omgeving, zelfs de trillingen van nabijgelegen atomen kunnen hun vermogen om informatie te onthouden verstoren. Tot dusver, onderzoekers vertrouwden op extreem lage temperaturen om trillingen te dempen, maar, het bereiken van die temperaturen voor grootschalige kwantumnetwerken is onbetaalbaar.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en de University of Cambridge hebben een kwantumgeheugenoplossing ontwikkeld die net zo eenvoudig is als het stemmen van een gitaar.

De onderzoekers ontwikkelden diamanten snaren die kunnen worden afgestemd om de omgeving van een qubit tot rust te brengen en het geheugen te verbeteren van tientallen tot enkele honderden nanoseconden. genoeg tijd om veel bewerkingen op een kwantumchip uit te voeren.

"Onzuiverheden in diamant zijn naar voren gekomen als veelbelovende knooppunten voor kwantumnetwerken, " zei Marko Loncar, de Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het onderzoek. "Echter, ze zijn niet perfect. Sommige soorten onzuiverheden zijn erg goed in het vasthouden van informatie, maar hebben moeite met communiceren, terwijl anderen echt goede communicators zijn, maar last hebben van geheugenverlies. In dit werk, we namen de laatste soort en verbeterden het geheugen met tien keer."

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Onzuiverheden in diamant, bekend als silicium-vacature kleurcentra, zijn krachtige qubits. Een elektron dat in het centrum gevangen zit, fungeert als een geheugenbit en kan enkele fotonen rood licht uitzenden, die op hun beurt zouden fungeren als informatiedragers over lange afstanden van een kwantuminternet. Maar met de nabije atomen in het diamantkristal die willekeurig trillen, het elektron in het centrum vergeet snel alle kwantuminformatie die het moet onthouden.

"Een elektron zijn in een kleurencentrum is als proberen te studeren op een luide markt, " zei Srujan Meesala, een afgestudeerde student aan SEAS en co-eerste auteur van het papier. "Er is al dat lawaai om je heen. Als je iets wilt onthouden, je moet de menigte vragen om stil te blijven of een manier vinden om je over het lawaai te concentreren. Dat laatste hebben we gedaan."

Om het geheugen in een lawaaierige omgeving te verbeteren, de onderzoekers sneden het diamantkristal dat het kleurcentrum huisvest in een dunne snaar, ongeveer een micron breed - honderd keer dunner dan een haarlok - en aan weerszijden elektroden. Door een spanning aan te leggen, de diamanten snaar rekt uit en verhoogt de frequentie van trillingen waarvoor het elektron gevoelig is, net zoals het aanspannen van een gitaarsnaar de frequentie of toonhoogte van de snaar verhoogt.

"Door spanning in de snaar te creëren, we vergroten de energieschaal van trillingen waar het elektron gevoelig voor is, wat betekent dat het nu alleen zeer hoge energietrillingen kan voelen, "zei Meesala. "Dit proces verandert effectief de omringende trillingen in het kristal in een irrelevant achtergrondgezoem, waardoor het elektron in de vacature comfortabel informatie kan vasthouden voor honderden nanoseconden, wat heel lang kan duren op de kwantumschaal. Een symfonie van deze afstembare diamanten snaren zou kunnen dienen als de ruggengraat van een toekomstig kwantuminternet."

Volgende, de onderzoekers hopen het geheugen van de qubits tot op de milliseconde uit te breiden, die honderdduizenden operaties en kwantumcommunicatie over lange afstand mogelijk zou maken.