Квантовые точки – это кристаллы, состоящие из тысяч атомов, и каждый из этих атомов магнитно взаимодействует с захваченным электроном. Если оставить его в покое, это взаимодействие электрона с ядерными спинами ограничивает полезность электрона в качестве квантового бита – кубита.
Под руководством профессора Мете Ататуре, научного сотрудника колледжа Святого Иоанна Кембриджского университета, исследовательская группа, расположенная в лаборатории Кавендиша, использует законы квантовой физики и оптики для исследования вычислительных, сенсорных или коммуникационных приложений.
Ататуре сказал: «Квантовые точки предлагают идеальный интерфейс, опосредованный светом, для системы, где можно контролировать и использовать динамику отдельных взаимодействующих спинов. Поскольку ядра случайным образом «крадут» информацию у электрона, они традиционно раздражали, но мы показали, что можем использовать их в качестве ресурса."
Команда из Кембриджа нашла способ использовать взаимодействие между электроном и тысячами ядер с помощью лазеров, чтобы «охладить» ядра до температуры менее 1 милкельвина, или одной тысячной градуса выше абсолютного нуля температуры. Затем они показали, что могут управлять тысячами ядер и манипулировать ими, как если бы они в унисон образуют единое тело, как второй кубит.
Это доказывает, что ядра в квантовой точке могут обмениваться информацией с электронным кубитом и могут использоваться для хранения квантовой информации в качестве запоминающего устройства. Результаты были опубликованы в Science.
Квантовые вычисления нацелены на использование фундаментальных концепций квантовой физики, таких как принцип запутанности и суперпозиции, чтобы превзойти существующие подходы к вычислениям и произвести революцию в технологиях, бизнесе и исследованиях.
Как и классические компьютеры, квантовые компьютеры нуждаются в процессоре, памяти и шине для передачи информации вперед и назад. Процессор – это кубит, который может быть электроном, захваченным в квантовой точке, шина – это одиночный фотон, который генерируют эти квантовые точки, и он идеально подходит для обмена информацией.
Но недостающее звено для квантовых точек – это квантовая память.
Ататуре сказал: «Вместо того, чтобы разговаривать с отдельными ядерными спинами, мы работали над доступом к коллективным спиновым волнам с помощью лазеров.
Это похоже на стадион, где вам не нужно беспокоиться о том, кто поднимет руки на мексиканской волне, пока есть одна коллективная волна, потому что все они танцуют в унисон.
"Затем мы показали, что эти спиновые волны обладают квантовой когерентностью. Это был недостающий кусок мозаики, и теперь у нас есть все необходимое для создания выделенной квантовой памяти для каждого кубита."
В квантовых технологиях фотон, кубит и память должны взаимодействовать друг с другом контролируемым образом.
Это в основном реализуется путем взаимодействия различных физических систем в единый гибридный блок, который может быть неэффективным. Исследователи смогли показать, что в квантовых точках элемент памяти автоматически присутствует в каждом кубите.
Доктор Дориан Ганглофф, один из первых авторов статьи и научный сотрудник Сент-Джонс, сказал, что открытие возобновит интерес к этим типам полупроводниковых квантовых точек. Доктор Ганглофф объяснил: «Это прорыв в области изучения квантовых точек – Святой Грааль – как для квантовой памяти, так и для фундаментальных исследований; теперь у нас есть инструменты для изучения динамики сложных систем в духе квантового моделирования."
Долгосрочные возможности этой работы можно увидеть в области квантовых вычислений.
В прошлом месяце IBM выпустила первый в мире коммерческий квантовый компьютер, и генеральный директор Microsoft заявил, что квантовые вычисления могут «радикально изменить мир».
Ганглофф сказал: «Воздействие кубита может произойти через полвека, но сила подрывных технологий заключается в том, что трудно представить себе проблемы, которые мы можем открыть – вы можете попытаться представить его как известные неизвестные, но в некоторой степени.
Укажите, вы попадаете на новую территорию. Мы еще не знаем, какие проблемы это поможет решить, и это очень увлекательно."