Een team van Cambridge-onderzoekers heeft een manier gevonden om de zee van kernen in halfgeleiderkwantumdots te controleren, zodat ze kunnen werken als een kwantumgeheugenapparaat.

Quantum dots zijn kristallen die uit duizenden atomen bestaan, en elk van deze atomen interageert magnetisch met het gevangen elektron. Als ze aan hun lot worden overgelaten, deze interactie van het elektron met de kernspins, beperkt de bruikbaarheid van het elektron als een kwantumbit - een qubit.

Onder leiding van professor Mete Atature, een fellow bij St John's College, Universiteit van Cambridge, de onderzoeksgroep, gevestigd in het Cavendish-laboratorium, gebruik maken van de wetten van de kwantumfysica en optica om computers te onderzoeken, detectie- of communicatietoepassingen.

Atatüre zei:"Quantum dots bieden een ideale interface, zoals bemiddeld door licht, naar een systeem waar de dynamiek van individuele interactie spins kon worden gecontroleerd en benut. Omdat de kernen willekeurig informatie van het elektron 'stelen', zijn ze traditioneel een ergernis, maar we hebben laten zien dat we ze als hulpbron kunnen gebruiken."

Het Cambridge-team vond een manier om de interactie tussen het elektron en de duizenden kernen te benutten door lasers te gebruiken om de kernen te 'koelen' tot minder dan 1 milliKelvin, of een duizendste graad boven het absolute nulpunt. Vervolgens toonden ze aan dat ze de duizenden kernen kunnen besturen en manipuleren alsof ze één geheel vormen, als een tweede qubit. Dit bewijst dat de kernen in de kwantumdot informatie kunnen uitwisselen met de elektronenqubit en kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie op te slaan als een geheugenapparaat. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschap vandaag.

Quantum computing is bedoeld om fundamentele concepten van de kwantumfysica te benutten, zoals het verstrengelings- en superpositieprincipe, om beter te presteren dan de huidige benaderingen van computers en een revolutie teweeg te brengen in de technologie, zaken en onderzoek. Net als klassieke computers, kwantumcomputers hebben een processor nodig, geheugen, en een bus om de informatie heen en weer te vervoeren. De processor is een qubit die een elektron kan zijn dat gevangen zit in een kwantumpunt, de bus is een enkel foton dat deze quantum dots genereren en ideaal zijn voor het uitwisselen van informatie. Maar de ontbrekende schakel voor kwantumstippen is het kwantumgeheugen.

Atatüre zei:"In plaats van met individuele kernspins te praten, we werkten aan toegang tot collectieve spingolven door lasers. Dit is als een stadion waar je je geen zorgen hoeft te maken over wie zijn hand opsteekt in de Mexicaanse golf die rondgaat, zolang er maar één collectieve golf is omdat ze allemaal eenstemmig dansen.

"Vervolgens toonden we aan dat deze spingolven kwantumcoherentie hebben. Dit was het ontbrekende stukje van de puzzel en we hebben nu alles wat nodig is om een ​​speciaal kwantumgeheugen te bouwen voor elke qubit."

Bij kwantumtechnologieën het foton, de qubit en het geheugen moeten op een gecontroleerde manier met elkaar omgaan. Dit wordt meestal gerealiseerd door verschillende fysieke systemen met elkaar te verbinden om een ​​enkele hybride eenheid te vormen die inefficiënt kan zijn. De onderzoekers hebben kunnen aantonen dat in kwantumstippen, het geheugenelement is er automatisch bij elke qubit.

Dr. Dorian Gangloff, een van de eerste auteurs van het papier en een Fellow bij St John's, zei dat de ontdekking de interesse in dit soort halfgeleiderkwantumdots zal hernieuwen. Dr. Gangloff legde uit:"Dit is een doorbraak van de Heilige Graal voor onderzoek naar kwantumdots - zowel voor kwantumgeheugen als fundamenteel onderzoek; we hebben nu de tools om de dynamiek van complexe systemen te bestuderen in de geest van kwantumsimulatie."

De langetermijnkansen van dit werk kunnen worden gezien op het gebied van kwantumcomputing. Vorige maand, IBM lanceerde 's werelds eerste commerciële kwantumcomputer, en de Chief Executive van Microsoft heeft gezegd dat kwantumcomputing het potentieel heeft om 'de wereld radicaal te hervormen'.

Gangloff zei:"De impact van de qubit kan een halve eeuw verwijderd zijn, maar de kracht van ontwrichtende technologie is dat het moeilijk is om je de problemen voor te stellen die we zouden kunnen openen - je kunt proberen het te zien als bekende onbekenden, maar op een gegeven moment je betreedt nieuw terrein. We weten nog niet wat voor soort problemen het zal helpen oplossen, wat erg spannend is."