In een reeks kranten, Rochester-onderzoekers melden grote vooruitgang bij het verbeteren van de overdracht van informatie in kwantumsystemen.

Kwantumwetenschap heeft het potentieel om moderne technologie te revolutioneren met efficiëntere computers, communicatie, en detectieapparaten. Maar er blijven uitdagingen bestaan ​​bij het bereiken van deze technologische doelen, vooral als het gaat om het effectief overbrengen van informatie in kwantumsystemen.

Bits worden gebruikt om informatie in gewone computers weer te geven. Kwantumcomputers, anderzijds, zijn gebaseerd op kwantumbits, ook wel qubits genoemd, die kan worden gemaakt van een enkel elektron.

In tegenstelling tot gewone transistors, die ofwel "0" (uit) of "1" (aan) kan zijn, qubits kunnen tegelijkertijd zowel "0" als "1" zijn. Het vermogen van individuele qubits om deze zogenaamde superpositietoestanden te bezetten, waar ze zich tegelijkertijd in meerdere staten bevinden, ligt ten grondslag aan het grote potentieel van kwantumcomputers. Net als gewone computers, echter, kwantumcomputers hebben een manier nodig om kwantuminformatie over te dragen tussen verre qubits - en dat vormt een grote experimentele uitdaging.

In een reeks artikelen gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van de Universiteit van Rochester, waaronder John Nichol, een assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde, en afgestudeerde studenten Yadav Kandel en Haifeng Qiao, de hoofdauteurs van de artikelen, rapporteren grote stappen in het verbeteren van kwantumcomputers door de overdracht van informatie tussen elektronen in kwantumsystemen te verbeteren.

In één krant, de onderzoekers demonstreerden een manier om informatie tussen qubits over te dragen, adiabatische kwantumtoestandsoverdracht (AQT) genoemd, voor het eerst met elektronenspin-qubits. In tegenstelling tot de meeste methoden voor het overbrengen van informatie tussen qubits, die afhankelijk zijn van zorgvuldig afgestemde elektrische of magnetische veldpulsen, AQT wordt niet zo beïnvloed door pulsfouten en ruis.

Om je voor te stellen hoe AQT werkt, stel u voor dat u in uw auto rijdt en deze wilt parkeren. Als je niet op het juiste moment op de rem trapt, de auto zal niet zijn waar je hem hebben wilt, met mogelijk negatieve gevolgen. In deze betekenis, de stuurpulsen - het gas- en rempedaal - naar de auto moeten zorgvuldig worden afgesteld. AQT is anders omdat het niet echt uitmaakt hoe lang je de pedalen indrukt of hoe hard je ze indrukt:de auto komt altijd op de juiste plek terecht. Als resultaat, AQT heeft het potentieel om de overdracht van informatie tussen qubits te verbeteren, wat essentieel is voor kwantumnetwerken en foutcorrectie.

De onderzoekers toonden de effectiviteit van AQT aan door gebruik te maken van verstrengeling - een van de basisconcepten van de kwantumfysica waarin de eigenschappen van het ene deeltje de eigenschappen van een ander deeltje beïnvloeden, zelfs wanneer de deeltjes over een grote afstand van elkaar zijn gescheiden. De onderzoekers waren in staat om AQT te gebruiken om de kwantumspintoestand van één elektron over te dragen over een keten van vier elektronen in halfgeleiderkwantumstippen - kleine, halfgeleiders op nanoschaal met opmerkelijke eigenschappen. Dit is de langste keten waarover ooit een spintoestand is overgedragen, het record van de onderzoekers in een eerdere Natuur papier.

"Omdat AQT robuust is tegen pulsfouten en ruis, en vanwege de grote potentiële toepassingen in kwantumcomputers, deze demonstratie is een belangrijke mijlpaal voor quantum computing met spin-qubits, ' zegt Nichol.

Een vreemde staat van materie uitbuiten

In een tweede paper, de onderzoekers demonstreerden een andere techniek voor het overbrengen van informatie tussen qubits, met behulp van een exotische toestand van materie genaamd tijdkristallen. Een tijdkristal is een vreemde toestand van materie waarin interacties tussen de deeltjes waaruit het kristal bestaat, oscillaties van het systeem voor onbepaalde tijd kunnen stabiliseren. Stel je een klok voor die eeuwig blijft tikken; de slinger van de klok oscilleert in de tijd, net als het oscillerende tijdkristal.

Door een reeks elektrische veldpulsen op elektronen te implementeren, de onderzoekers waren in staat om een ​​toestand te creëren die lijkt op een tijdkristal. Ze ontdekten dat ze deze toestand vervolgens konden benutten om de overdracht van de spintoestand van een elektron in een keten van halfgeleiderkwantumstippen te verbeteren.

"Ons werk zet de eerste stappen om te laten zien hoe vreemde en exotische toestanden van materie, zoals tijdkristallen, kan mogelijk worden gebruikt voor toepassingen voor het verwerken van kwantuminformatie, zoals het overbrengen van informatie tussen qubits, Nichol zegt. "We laten ook theoretisch zien hoe dit scenario andere single- en multi-qubit-bewerkingen kan implementeren die kunnen worden gebruikt om de prestaties van kwantumcomputers te verbeteren."

Zowel AQT als tijdkristallen, terwijl anders, gelijktijdig met kwantumcomputersystemen kunnen worden gebruikt om de prestaties te verbeteren.

"Deze twee resultaten illustreren de vreemde en interessante manieren waarop de kwantumfysica het mogelijk maakt om informatie van de ene plaats naar de andere te sturen, wat een van de grootste uitdagingen is bij het bouwen van levensvatbare kwantumcomputers en netwerken, ' zegt Nichol.