science >> Wetenschap >  >> Fysica

Student-ingenieurs een interactie tussen twee qubits met behulp van fotonen

Krediet:Denis Sukachev

In de wereld van kwantumcomputers interactie is alles.

Om computers überhaupt te laten werken, bits - de enen en nullen waaruit digitale informatie bestaat - moeten met elkaar kunnen communiceren en gegevens kunnen doorgeven voor verwerking. Hetzelfde geldt voor de kwantumbits, of qubits, waaruit kwantumcomputers bestaan.

Maar die interactie creëert een probleem - in elk systeem waarin qubits met elkaar interageren, ze hebben ook de neiging om te willen communiceren met hun omgeving, wat resulteert in qubits die snel hun kwantumkarakter verliezen.

Om het probleem te omzeilen, Graduate School of Arts and Sciences Ph.D. student Ruffin Evans wendde zich tot deeltjes die vooral bekend staan ​​om hun gebrek aan interacties - fotonen.

Werken in het lab van Mikhail Lukin, de George Vasmer Leverett hoogleraar natuurkunde en mededirecteur van het Quantum Science and Engineering Initiative, Evans is hoofdauteur van een studie, beschreven in het journaal Wetenschap , dat een methode demonstreert voor het construeren van een interactie tussen twee qubits met behulp van fotonen.

"Het is niet moeilijk om een ​​systeem te bouwen met zeer sterke interacties, maar sterke interacties kunnen ook ruis en interferentie veroorzaken door interactie met de omgeving, "Zei Evans. "Dus je moet de omgeving extreem schoon maken. Dit is een enorme uitdaging. We opereren in een heel ander regime. We gebruiken fotonen, die een zwakke interactie met alles hebben."

Evans en collega's begonnen met het maken van twee qubits met behulp van silicium-vacature-centra - onzuiverheden op atomaire schaal in diamanten - en ze in een apparaat op nanoschaal te plaatsen dat bekend staat als een fotonische kristalholte, die zich gedraagt ​​als twee tegenover elkaar liggende spiegels.

"De kans dat licht in één keer een interactie aangaat met een atoom kan heel, heel klein, maar zodra het licht rond de 10 kaatst, 000 keer, het zal vrijwel zeker gebeuren, "zei hij. "Dus een van de atomen kan een foton uitzenden, en het zal rondspringen tussen deze spiegels, en op een gegeven moment het andere atoom zal het foton absorberen."

De overdracht van dat foton gaat niet maar één kant op, Hoewel.

Het proces samenvoegen:het microscoopobjectief (de grote metalen loop die vanaf de bovenkant van het beeld naar beneden komt), het diamantmonster (het kleine plaatje dat op glas lijkt in het midden van de afbeelding), en de optische vezel die aan het monster koppelt (oplichtende groene punt net boven het monster). Krediet:Denis Sukachev

"Het foton wordt eigenlijk meerdere keren uitgewisseld tussen de twee qubits, "Zei Evans. "Het is alsof ze hete aardappel spelen; de qubits geven het heen en weer door."

Hoewel het idee om interactie tussen qubits te creëren niet nieuw is - onderzoekers zijn erin geslaagd in een aantal andere systemen - zijn er twee factoren die de nieuwe studie uniek maken, zei Evans.

"De belangrijkste vooruitgang is dat we werken met fotonen op optische frequenties, die gewoonlijk zeer zwak op elkaar inwerken, " zei hij. "Dat is precies waarom we glasvezel gebruiken om gegevens te verzenden - je kunt licht door een lange vezel sturen met in principe geen verzwakking. Ons platform is dus vooral interessant voor langeafstandsquantumcomputing of kwantumnetwerken."

En hoewel het systeem alleen werkt bij ultralage temperaturen, Evans zei dat het minder complex is dan benaderingen die uitgebreide systemen van laserkoeling en optische vallen vereisen om atomen op hun plaats te houden. Omdat het systeem op nanoschaal is gebouwd, hij voegde toe, het opent de mogelijkheid dat veel apparaten op een enkele chip kunnen worden ondergebracht.

"Hoewel dit soort interactie al eerder is gerealiseerd, het is niet gerealiseerd in solid-state systemen in het optische domein, " zei hij. "Onze apparaten zijn gebouwd met behulp van halfgeleiderfabricagetechnieken. Het is gemakkelijk voor te stellen om met deze tools op te schalen naar veel meer apparaten op een enkele chip."

Evans ziet twee hoofdrichtingen voor toekomstig onderzoek. De eerste omvat het ontwikkelen van manieren om controle over de qubits uit te oefenen en het bouwen van een volledige reeks kwantumpoorten waarmee ze kunnen functioneren als een werkbare kwantumcomputer.

"De andere richting is om te zeggen dat we deze apparaten al kunnen bouwen, en neem informatie, lees het uit het apparaat en stop het in een optische vezel, dus laten we nadenken over hoe we dit opschalen en een echt kwantumnetwerk bouwen over afstanden op menselijke schaal, " zei hij. "We hebben plannen voor het bouwen van verbindingen tussen apparaten in het laboratorium of op de campus met behulp van de ingrediënten die we al hebben, of het gebruik van apparaten van de volgende generatie om een ​​kleinschalig kwantumnetwerk te realiseren."

uiteindelijk, Evans zei, het werk zou verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor de toekomst van computers.

"Alles, van een kwantuminternet tot kwantumdatacenters, vereist optische verbindingen tussen kwantumsystemen, en dat is het stukje van de puzzel waar ons werk zeer geschikt voor is, " hij zei.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.