Onderzoekers van de University of Rochester en Cornell University hebben een belangrijke stap gezet in de richting van de ontwikkeling van een communicatienetwerk dat informatie over lange afstanden uitwisselt met behulp van fotonen, massaloze metingen van licht die sleutelelementen zijn van kwantumcomputers en kwantumcommunicatiesystemen.

Het onderzoeksteam heeft een knooppunt op nanoschaal ontworpen dat is gemaakt van magnetische en halfgeleidende materialen die kunnen interageren met andere knooppunten, laserlicht gebruiken om fotonen uit te zenden en te accepteren.

De ontwikkeling van zo'n kwantumnetwerk - ontworpen om te profiteren van de fysieke eigenschappen van licht en materie die worden gekenmerkt door kwantummechanica - belooft sneller, efficiëntere manieren om te communiceren, berekenen, en objecten en materialen detecteren in vergelijking met netwerken die momenteel worden gebruikt voor computers en communicatie.

Beschreven in het journaal Natuurcommunicatie , het knooppunt bestaat uit een reeks pilaren van slechts 120 nanometer hoog. De pilaren maken deel uit van een platform dat atomair dunne lagen halfgeleider- en magnetische materialen bevat.

De array is zo ontworpen dat elke pijler dient als een locatiemarkering voor een kwantumtoestand die kan interageren met fotonen en de bijbehorende fotonen kunnen mogelijk interageren met andere locaties in het apparaat - en met vergelijkbare arrays op andere locaties. Dit potentieel om kwantumknooppunten via een extern netwerk te verbinden, speelt in op het concept van verstrengeling, een fenomeen van de kwantummechanica dat, op het zeer basale niveau, beschrijft hoe de eigenschappen van deeltjes op subatomair niveau met elkaar verbonden zijn.

"Dit is het begin van het hebben van een soort register, Als je dat wil, waar verschillende ruimtelijke locaties informatie kunnen opslaan en interactie kunnen hebben met fotonen, " zegt Nick Vamivakas, hoogleraar kwantumoptica en kwantumfysica in Rochester.

Op weg naar 'miniaturisering van een kwantumcomputer'

Het project bouwt voort op werk dat het Vamivakas Lab de afgelopen jaren heeft uitgevoerd met behulp van wolfraamdiselenide (WSe2) in zogenaamde Van der Waals-heterostructuren. Dat werk maakt gebruik van lagen van atomair dunne materialen op elkaar om losse fotonen te maken of vast te leggen.

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een nieuwe uitlijning van WSe2 gedrapeerd over de pilaren met een onderliggende, zeer reactieve laag chroomtrijodide (CrI3). Waar de atomair dunne, 12 micron oppervlaktelagen aanraken, de CrI3 geeft een elektrische lading aan de WSe2, het creëren van een "gat" naast elk van de pilaren.

In de kwantumfysica, een gat wordt gekenmerkt door de afwezigheid van een elektron. Elk positief geladen gat heeft ook een binaire noord/zuid-magnetische eigenschap die ermee verbonden is, zodat elk ook een nanomagneet is

Wanneer het apparaat wordt ondergedompeld in laserlicht, verdere reacties optreden, de nanomagneten veranderen in individuele optisch actieve spin-arrays die fotonen uitzenden en ermee interageren. Terwijl klassieke informatieverwerking zich bezighoudt met bits met waarden van nul of één, spintoestanden kunnen tegelijkertijd nul en één coderen, uitbreiding van de mogelijkheden voor informatieverwerking.

"In staat zijn om de spinoriëntatie van het gat te regelen met behulp van ultradunne en 12 micron grote CrI3, vervangt de noodzaak voor het gebruik van externe magnetische velden van gigantische magnetische spoelen vergelijkbaar met die gebruikt in MRI-systemen, ", zegt hoofdauteur en afgestudeerde student Arunabh Mukherjee. "Dit zal een grote bijdrage leveren aan het miniaturiseren van een kwantumcomputer op basis van spins met één gat."

Moet nog komen:Verstrikking op afstand?

Bij het maken van het apparaat stonden de onderzoekers voor twee grote uitdagingen.

Een daarvan was het creëren van een inerte omgeving om met het zeer reactieve CrI3 te werken. Hier kwam de samenwerking met Cornell University om de hoek kijken. "Ze hebben veel expertise met het chroomtrijodide en aangezien we daar voor het eerst mee werkten, we hebben met hen afgestemd op dat aspect ervan, " zegt Vamivakas. Bijvoorbeeld, fabricage van de CrI3 werd gedaan in met stikstof gevulde handschoenkasten om degradatie van zuurstof en vocht te voorkomen.

De andere uitdaging was het bepalen van de juiste configuratie van pilaren om ervoor te zorgen dat de gaten en spindalen die bij elke pilaar horen, goed konden worden geregistreerd om uiteindelijk met andere knooppunten te worden verbonden.

En daarin ligt de volgende grote uitdaging:een manier vinden om fotonen over lange afstanden door een optische vezel naar andere knooppunten te sturen, met behoud van hun verstrengelingseigenschappen.

"We hebben het apparaat nog niet ontwikkeld om dat soort gedrag te bevorderen, ' zegt Vamivakas. 'Dat is verderop.'