Wetenschappers geloven dat individuele lichtdeeltjes, of fotonen, zijn bij uitstek geschikt voor het verzenden van kwantuminformatie. Gecodeerd met kwantumgegevens, ze konden letterlijk informatie overbrengen met de snelheid van het licht. Echter, terwijl fotonen vanwege hun snelheid geweldige dragers zouden zijn, ze houden er niet van om met elkaar om te gaan, waardoor het moeilijk is om kwantumverstrengeling te bereiken.

Een internationaal onderzoeksteam van NUST MISIS, Russisch kwantumcentrum, het Ioffe Institute St. Petersburg en Karlsruhe Institute of Technology hebben voor het eerst experimenteel bewijs verkregen voor effectieve interactie tussen microgolffotonen via supergeleidende qubits. De studie, gepubliceerd in npj Quantum Materialen , kan een stap zijn in de richting van de implementatie van een langlevend kwantumgeheugen en de ontwikkeling van commerciële kwantumapparaten.

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten fotonen met een frequentie van enkele GHz en een golflengte van enkele centimeters.

"We gebruikten supergeleidende ellen, die in wezen kunstmatige atomen zijn, omdat is bewezen dat ze een sterke wisselwerking hebben met licht. De interactie tussen natuurlijke atomen en natuurlijk licht is zwak vanwege de kleine omvang van natuurlijke atomen. Supergeleidende ellen zijn door mensen gebouwd; hun grootte kan oplopen tot 0,1 mm, wat het mogelijk maakt om hun dipoolmoment en polariteit aanzienlijk te vergroten, engineering sterke interactie tussen licht en materie, " zei prof. Alexey Ustinov, hoofd van het laboratorium voor supergeleidende metamaterialen bij NUST MISIS en groepshoofd bij het Russische Quantum Center, die co-auteur was van de studie.

Supergeleidende qubits vertegenwoordigen een toonaangevende qubit-modaliteit die momenteel wordt nagestreefd door de industrie en de academische wereld voor kwantumcomputertoepassingen. Echter, ze vereisen milli-Kelvin (mK) temperaturen om te werken. De krachtigste van de bestaande supergeleidende kwantumapparaten bevat minder dan 100 qubits. Terwijl u qubits toevoegt, het aantal bewerkingen dat een kwantumcomputer kan uitvoeren groeit exponentieel, maar het maximale aantal qubits dat in een kwantumcomputer kan worden geïntegreerd, wordt beperkt door de grootte van koelkasten die worden gebruikt om ze af te koelen tot bedrijfstemperatuur. Hiermee rekening houdend, de inspanningen van de wetenschappelijke gemeenschap zijn recentelijk gericht geweest op het vergroten van de verwerkingskracht van een kwantumcomputer door kwantumsignalen van de ene koelkast naar de andere te verzenden. Om deze transmissie te engineeren, de wetenschappers koppelden een reeks van acht supergeleidende transmon-qubits aan een gemeenschappelijke golfgeleider - een structuur die golven geleidt, bijv. lichtgolven.

"Door voor elke qubit speciale flux-bias-lijnen te gebruiken, we bepalen de controle over hun overgangsfrequenties. Er werd afgeleid en experimenteel geverifieerd dat meerdere qubits een door foton gemedieerde effectieve interactie met oneindig bereik verkrijgen, die kan worden afgestemd met de inter-qubit-afstand, " zegt Alexey Oestinov.

Het circuit van dit werk breidt experimenten met één en twee qubits uit naar een volwaardig kwantummetamateriaal, daarmee de weg vrijmakend voor grootschalige toepassingen in de supergeleidende kwantumelektrodynamica van golfgeleiders.