Onderzoekers hebben een manier gevonden om licht en een enkel elektron te gebruiken om te communiceren met een wolk van kwantumbits en hun gedrag te voelen. waardoor het mogelijk wordt om een ​​enkel quantumbit in een dichte wolk te detecteren.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, een 'naald' van zeer kwetsbare kwantuminformatie in een 'hooiberg' van 100 konden injecteren, 000 kernen. Lasers gebruiken om een ​​elektron te besturen, dan zouden de onderzoekers dat elektron kunnen gebruiken om het gedrag van de hooiberg te sturen, waardoor het gemakkelijker wordt om de naald te vinden. Ze konden de 'naald' detecteren met een precisie van 1,9 delen per miljoen:hoog genoeg om een ​​enkele kwantumbit te detecteren in dit grote ensemble.

De techniek maakt het mogelijk om zeer fragiele kwantuminformatie optisch naar een nucleair systeem te sturen voor opslag, en om de afdruk met minimale verstoring te verifiëren, een belangrijke stap in de ontwikkeling van een quantuminternet op basis van quantumlichtbronnen. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfysica .

De eerste kwantumcomputers - die het vreemde gedrag van subatomaire deeltjes zullen benutten om zelfs de krachtigste supercomputers ver te overtreffen - zijn in aantocht. Echter, om hun volledige potentieel te benutten, is een manier nodig om ze te netwerken:een kwantuminternet. Kanalen van licht die kwantuminformatie doorgeven, zijn veelbelovende kandidaten voor een kwantuminternet, en momenteel is er geen betere kwantumlichtbron dan de halfgeleider kwantumpunt:kleine kristallen die in wezen kunstmatige atomen zijn.

Echter, één ding staat kwantumstippen en een kwantuminternet in de weg:de mogelijkheid om kwantuminformatie tijdelijk op te slaan op halteplaatsen langs het netwerk.

"De oplossing voor dit probleem is om de fragiele kwantuminformatie op te slaan door deze te verbergen in de cloud van 100, 000 atoomkernen die elke kwantumstip bevat, als een speld in een hooiberg, " zei professor Mete Atatüre van Cambridge's Cavendish Laboratory, die het onderzoek leidde. "Maar als we met deze kernen proberen te communiceren zoals we met bits communiceren, ze hebben de neiging om willekeurig te 'flippen', het creëren van een luidruchtig systeem."

De wolk van kwantumbits in een kwantumpunt werkt normaal gesproken niet in een collectieve toestand, waardoor het een uitdaging is om informatie in of uit hen te krijgen. Echter, Atatüre en zijn collega's toonden in 2019 aan dat wanneer gekoeld tot ultra-lage temperaturen ook met licht, deze kernen kunnen worden gemaakt om 'kwantumdansen' samen te doen, de hoeveelheid ruis in het systeem aanzienlijk verminderen.

Nutsvoorzieningen, ze hebben een andere fundamentele stap getoond in de richting van het opslaan en ophalen van kwantuminformatie in de kernen. Door de collectieve staat van de 100 te beheersen, 000 kernen, ze waren in staat om het bestaan ​​van de kwantuminformatie te detecteren als een 'omgedraaide kwantumbit' met een ultrahoge precisie van 1,9 delen per miljoen:genoeg om een ​​enkel bit te zien flippen in de wolk van kernen.

"Technisch is dit extreem veeleisend, " zei Atature, die ook een Fellow van St John's College is. "We hebben geen manier om met de cloud te 'praten' en de cloud heeft geen manier om met ons te praten. Maar waar we mee kunnen praten is een elektron:we kunnen ermee communiceren als een hond die kudde schapen."

Met behulp van het licht van een laser, de onderzoekers kunnen communiceren met een elektron, die vervolgens communiceert met de spins, of inherent impulsmoment, van de kernen.

Door met het elektron te praten, het chaotische geheel van spins begint af te koelen en verzamelt zich rond het herderlijke elektron; uit deze meer geordende staat, het elektron kan spingolven in de kernen creëren.

"Als we ons onze wolk van spins voorstellen als een kudde van 100, 000 schapen die willekeurig bewegen, een schaap dat plotseling van richting verandert, is moeilijk te zien, " zei Atatüre. "Maar als de hele kudde beweegt als een goed gedefinieerde golf, dan wordt een enkel schaap dat van richting verandert zeer merkbaar."

Met andere woorden, het injecteren van een spingolf gemaakt van een enkele nucleaire spin-flip in het ensemble maakt het gemakkelijker om een ​​enkele nucleaire spin-flip tussen 100 te detecteren, 000 kernspins.

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers kunnen informatie naar de kwantumbit sturen en 'luisteren' naar wat de spins zeggen met minimale verstoring, tot aan de fundamentele limiet die is vastgesteld door de kwantummechanica.

"Na gebruik te hebben gemaakt van dit controle- en waarnemingsvermogen over dit grote ensemble van kernen, onze volgende stap zal zijn om de opslag en het ophalen van een willekeurig kwantumbit uit het nucleaire spinregister te demonstreren, " zei co-eerste auteur Daniel Jackson, een doctoraat student aan het Cavendish-laboratorium.

"Deze stap voltooit een kwantumgeheugen dat is verbonden met licht - een belangrijke bouwsteen op weg naar het realiseren van het kwantuminternet, " zei co-eerste auteur Dorian Gangloff, een onderzoeker aan het St John's College.

Naast het potentiële gebruik voor een toekomstig kwantuminternet, de techniek kan ook nuttig zijn bij de ontwikkeling van solid-state quantum computing.