In onderzoek dat een impuls zou kunnen geven aan het werk in de richting van het kwantuminternet, hebben onderzoekers van MIT en de Universiteit van Cambridge een voortreffelijk klein apparaat gebouwd en getest dat de snelle, efficiënte stroom van kwantuminformatie over grote afstanden mogelijk zou kunnen maken.

De sleutel tot het apparaat is een "microchiplet" gemaakt van diamant waarin enkele koolstofatomen van de diamant zijn vervangen door tinatomen. De experimenten van het team geven aan dat het apparaat, bestaande uit golfgeleiders die het licht de kwantuminformatie transporteren, een paradox oplost die de komst van grote, schaalbare kwantumnetwerken heeft belemmerd.

Kwantuminformatie in de vorm van kwantumbits, of qubits, wordt gemakkelijk verstoord door omgevingsgeluid, zoals magnetische velden, die de informatie vernietigen. Aan de ene kant is het dus wenselijk om qubits te hebben die geen sterke interactie met de omgeving hebben. Aan de andere kant moeten deze qubits echter een sterke interactie hebben met het licht, of fotonen, die essentieel zijn voor het overdragen van de informatie over afstanden.

De onderzoekers van MIT en Cambridge maken beide mogelijk door twee verschillende soorten qubits te co-integreren die samenwerken om informatie op te slaan en te verzenden. Verder rapporteert het team hoge efficiëntie bij de overdracht van die informatie.

“Dit is een cruciale stap omdat het de haalbaarheid aantoont van het integreren van elektronische en nucleaire qubits in een microchiplet. Deze integratie komt tegemoet aan de noodzaak om kwantuminformatie over lange afstanden te bewaren en tegelijkertijd een sterke interactie met fotonen te behouden. Dit was mogelijk door de combinatie van de sterke punten van de teams van de Universiteit van Cambridge en MIT”, zegt Dirk Englund, universitair hoofddocent bij de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen (EECS) van MIT en leider van het MIT-team. Englund is ook verbonden aan het Materials Research Laboratory van MIT.

Professor Mete Atatüre, leider van het Cambridge-team, zegt:“De resultaten zijn het resultaat van een sterke samenwerking tussen de twee onderzoeksteams door de jaren heen. Het is geweldig om de combinatie van theoretische voorspelling, de fabricage van apparaten en de implementatie van nieuwe kwantumoptische besturingen allemaal in één werk."

Het werk is gepubliceerd in Nature Photonics .

Werken op kwantumschaal

Een computerbit kan worden gezien als alles met twee verschillende fysieke toestanden, zoals 'aan' en 'uit', om nul en één weer te geven. In de vreemde ultrakleine wereld van de kwantummechanica heeft een qubit ‘de extra eigenschap dat hij, in plaats van zich in slechts één van deze twee toestanden te bevinden, zich in een superpositie van de twee toestanden kan bevinden. Dus kan hij zich in beide toestanden bevinden. tegelijkertijd”, zegt Martínez. Meerdere qubits die met elkaar verstrengeld zijn of met elkaar gecorreleerd zijn, kunnen veel meer informatie delen dan de bits die bij conventioneel computergebruik horen. Vandaar de potentiële kracht van kwantumcomputers.

Er zijn veel soorten qubits, maar twee veel voorkomende typen zijn gebaseerd op spin, oftewel de rotatie van een elektron of een kern (van links naar rechts of van rechts naar links). Bij het nieuwe apparaat zijn zowel elektronische als nucleaire qubits betrokken.

Een draaiend elektron, of elektronische qubit, is erg goed in interactie met de omgeving, terwijl de draaiende kern van een atoom, of nucleaire qubit, dat niet is. "We hebben een qubit gecombineerd die erom bekend staat dat hij gemakkelijk met licht omgaat, met een qubit die erom bekend staat dat hij erg geïsoleerd is en daardoor informatie lange tijd bewaart. Door deze twee te combineren, denken we dat we het beste uit kunnen halen beide werelden”, zegt Martínez.

Hoe werkt het? "Het elektron [elektronische qubit] dat door de diamant zoeft, kan vast komen te zitten aan het tindefect", zegt Harris. En deze elektronische qubit kan zijn informatie vervolgens overbrengen naar de draaiende tinkern, de nucleaire qubit.

"De analogie die ik graag gebruik is het zonnestelsel", vervolgt Harris. "Je hebt de zon in het midden, dat is de tinkern, en dan heb je de aarde die eromheen draait, en dat is het elektron. We kunnen ervoor kiezen om de informatie op te slaan in de richting van de rotatie van de aarde, dat is onze elektronische qubit. Of we kunnen de informatie opslaan in de richting van de zon, die om zijn eigen as draait."

Over het algemeen transporteert licht informatie via een optische vezel naar het nieuwe apparaat, dat een stapel van verschillende kleine diamanten golfgeleiders bevat die elk ongeveer 1000 keer kleiner zijn dan een mensenhaar. Verschillende apparaten zouden dus kunnen fungeren als knooppunten die de informatiestroom in het kwantuminternet controleren.

Het werk beschreven in Nature Photonics omvat experimenten met één apparaat. "Uiteindelijk kunnen er echter honderden of duizenden hiervan op een microchip staan", zegt Martínez. In een onderzoek uit 2020 dat werd gepubliceerd in Nature MIT-onderzoekers, waaronder een aantal van de huidige auteurs, beschreven hun visie op de architectuur die de grootschalige integratie van de apparaten mogelijk zal maken.

Harris merkt op dat zijn theoretische werk een sterke interactie tussen de tinkern en de binnenkomende elektronische qubit had voorspeld. "Het was tien keer groter dan we hadden verwacht, dus ik dacht dat de berekening waarschijnlijk verkeerd was. Toen kwam het Cambridge-team langs en mat het, en het was mooi om te zien dat de voorspelling werd bevestigd door het experiment."

Martínez is het daarmee eens:"De theorie plus de experimenten hebben ons er uiteindelijk van overtuigd dat [deze interacties] echt plaatsvonden."

Meer informatie: Ryan A. Parker et al, Een diamanten nanofotonische interface met een optisch toegankelijk deterministisch elektronucleair spinregister, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01332-8

Journaalinformatie: Natuurfotonica , Natuur

Aangeboden door Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology