Toekomstige kwantumelektronica zal substantieel verschillen van conventionele elektronica. Terwijl het geheugen in de laatste wordt opgeslagen als binaire cijfers, wordt de eerste opgeslagen als qubits, die vele vormen kunnen aannemen, zoals ingesloten elektronen in nanostructuren die bekend staan ​​als kwantumdots. De uitdagingen bij het verzenden van deze informatie naar iets verder dan de aangrenzende quantum dot hebben echter een beperkt qubit-ontwerp.

Dat blijkt uit een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Physical Review Letters , onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokio lossen dit probleem op. Ze ontwikkelden een nieuwe technologie voor het verzenden van kwantuminformatie over misschien wel tientallen tot honderd micrometers. Deze vooruitgang zou de functionaliteit van de opkomende kwantumelektronica kunnen verbeteren.

Hoe kunnen onderzoekers kwantuminformatie overbrengen, van de ene kwantumdot naar de andere, op dezelfde kwantumcomputerchip? Eén manier zou kunnen zijn om informatie over elektronen (materie) om te zetten in informatie over licht (elektromagnetische golven) – door hybride toestanden van licht en materie te genereren.

Eerder werk was onverenigbaar met de één-elektron-behoeften van kwantuminformatieverwerking. Het doel van de studie van het onderzoeksteam was het verbeteren van de snelle overdracht van kwantuminformatie op een manier die flexibeler is qua ontwerp en compatibel is met de halfgeleiderfabricagetools die momenteel beschikbaar zijn.

"In ons werk koppelen we een paar elektronen in de quantum dot aan een elektrisch circuit dat bekend staat als een terahertz splitringresonator", legt Kazuyuki Kuroyama, hoofdauteur van het onderzoek, uit. "Het ontwerp is eenvoudig en geschikt voor grootschalige integratie."

Eerder werk was gebaseerd op het koppelen van de resonator aan een ensemble van duizenden tot tienduizenden elektronen. In feite is de koppelsterkte gebaseerd op de grote omvang van dit ensemble. Het huidige systeem bevat daarentegen slechts enkele elektronen, wat geschikt is voor kwantuminformatieverwerking. Niettemin zijn zowel elektronen als terahertz-elektromagnetische golven beperkt tot een ultraklein gebied. Daarom is de koppelsterkte qua sterkte vergelijkbaar met die van veel-elektronensystemen.

"We zijn enthousiast omdat we structuren gebruiken die wijdverspreid zijn in de geavanceerde nanotechnologie - en vaak worden geïntegreerd in de productie van halfgeleiders - om een ​​praktisch probleem met de overdracht van kwantuminformatie op te lossen", zegt Kazuhiko Hirakawa, senior auteur. "We kijken er ook naar uit om onze bevindingen toe te passen op het begrijpen van de fundamentele fysica van licht-elektron-gekoppelde toestanden."

Dit werk is een belangrijke stap voorwaarts in het oplossen van een voorheen lastig probleem bij het verzenden van kwantuminformatie dat beperkte toepassingen van laboratoriumresultaten heeft. Bovendien wordt een dergelijke interconversie van licht en materie beschouwd als een van de essentiële architecturen voor grootschalige kwantumcomputers op basis van halfgeleiderkwantumdots. Omdat de resultaten van de onderzoekers gebaseerd zijn op materialen en procedures die gebruikelijk zijn bij de productie van halfgeleiders, zou de praktische implementatie eenvoudig moeten zijn.

Meer informatie: Kazuyuki Kuroyama et al, Coherente interactie van een Quantum Dot met een paar elektronen met een optische resonator van Terahertz, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.066901. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2204.10522

Aangeboden door Universiteit van Tokio