Исследователи из Кембриджского университета, работающие в знаменитой Кавендишской лаборатории, совместно с учеными из Университета Линца, совершили значительный прорыв в области квантовых технологий. Они создали новый тип квантового регистра, использующего запутанные ядра в полупроводниковой квантовой точке. Это достижение открывает перспективу создания масштабируемых квантовых сетей, необходимых для квантовых вычислений и передачи данных на большие расстояния.
В основе новой технологии лежат оптически соединенные кубиты, которые формируются за счет ядерных спинов внутри квантовых точек. Вместо традиционных одиночных кубитов, здесь используется коллективное поведение большого количества ядерных спинов – более 13 000 – для создания устойчивого и масштабируемого квантового регистра. Квантовая точка, изготовленная из арсенида галлия, является наноструктурой, обладающей уникальными квантовомеханическими свойствами.
Ключевым элементом системы является «темное состояние» – коллективное запутанное состояние спинов, которое обладает высокой когерентностью и стабильностью, поскольку оно слабо взаимодействует с окружающей средой. В качестве комплементарного «единичного» состояния кубита используется возбуждение ядерного магнона – когерентная волнообразная осцилляция, представляющая собой переворот одиночного ядерного спина.
Ученые продемонстрировали полный операционный цикл записи, хранения, извлечения и считывания квантовой информации с высокой точностью. Команда также применила передовые методы квантовой обратной связи для управления ядерными спинами, что позволило им манипулировать квантовым состоянием с высокой степенью контроля.
Разработка нового квантового регистра является важным шагом на пути к созданию масштабируемых квантовых сетей. Эти сети, использующие квантовые точки в качестве многокубитных узлов, могут найти широкое применение в квантовой связи, распределенных вычислениях и создании квантовых повторителей, необходимых для передачи квантовой информации на большие расстояния.
Когерентное время, в течение которого квантовая информация может храниться в разработанном регистре, превышает 130 микросекунд, а точность хранения достигает почти 69%. Ученые планируют достичь хранения квантовой информации в течение десятков миллисекунд, используя более совершенные методы управления. Это является важным показателем для применения квантовых регистров в реальных квантовых технологиях.
Соавторами исследования являются профессор физики Мете Ататюре из Кавендишской лаборатории и доцент квантовых технологий Дориан Ганглофф. Их работа, опубликованная в авторитетном журнале Nature Physics, подчеркивает растущую значимость квантовых технологий, особенно в преддверии Международного года квантов 2025.
Этот прорыв открывает новые горизонты в области квантовой инженерии, демонстрируя перспективность использования запутанных ядерных спинов в квантовых точках для создания надежных и масштабируемых квантовых систем. Новая разработка имеет потенциал для применения в квантовых сетях, способных революционизировать области связи и вычислений. Она также подчеркивает важность сотрудничества между ведущими исследовательскими центрами для ускорения прогресса в области квантовых технологий.
Таким образом, данное исследование, проведенное в Кавендишской лаборатории и Университете Линца, является весомым вкладом в развитие квантовых технологий и потенциально приведет к созданию мощных квантовых компьютеров и защищенных систем передачи данных.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе новой технологии лежат оптически соединенные кубиты, которые формируются за счет ядерных спинов внутри квантовых точек. Вместо традиционных одиночных кубитов, здесь используется коллективное поведение большого количества ядерных спинов – более 13 000 – для создания устойчивого и масштабируемого квантового регистра. Квантовая точка, изготовленная из арсенида галлия, является наноструктурой, обладающей уникальными квантовомеханическими свойствами.
Ключевым элементом системы является «темное состояние» – коллективное запутанное состояние спинов, которое обладает высокой когерентностью и стабильностью, поскольку оно слабо взаимодействует с окружающей средой. В качестве комплементарного «единичного» состояния кубита используется возбуждение ядерного магнона – когерентная волнообразная осцилляция, представляющая собой переворот одиночного ядерного спина.
Ученые продемонстрировали полный операционный цикл записи, хранения, извлечения и считывания квантовой информации с высокой точностью. Команда также применила передовые методы квантовой обратной связи для управления ядерными спинами, что позволило им манипулировать квантовым состоянием с высокой степенью контроля.
Разработка нового квантового регистра является важным шагом на пути к созданию масштабируемых квантовых сетей. Эти сети, использующие квантовые точки в качестве многокубитных узлов, могут найти широкое применение в квантовой связи, распределенных вычислениях и создании квантовых повторителей, необходимых для передачи квантовой информации на большие расстояния.
Когерентное время, в течение которого квантовая информация может храниться в разработанном регистре, превышает 130 микросекунд, а точность хранения достигает почти 69%. Ученые планируют достичь хранения квантовой информации в течение десятков миллисекунд, используя более совершенные методы управления. Это является важным показателем для применения квантовых регистров в реальных квантовых технологиях.
Соавторами исследования являются профессор физики Мете Ататюре из Кавендишской лаборатории и доцент квантовых технологий Дориан Ганглофф. Их работа, опубликованная в авторитетном журнале Nature Physics, подчеркивает растущую значимость квантовых технологий, особенно в преддверии Международного года квантов 2025.
Этот прорыв открывает новые горизонты в области квантовой инженерии, демонстрируя перспективность использования запутанных ядерных спинов в квантовых точках для создания надежных и масштабируемых квантовых систем. Новая разработка имеет потенциал для применения в квантовых сетях, способных революционизировать области связи и вычислений. Она также подчеркивает важность сотрудничества между ведущими исследовательскими центрами для ускорения прогресса в области квантовых технологий.
Таким образом, данное исследование, проведенное в Кавендишской лаборатории и Университете Линца, является весомым вкладом в развитие квантовых технологий и потенциально приведет к созданию мощных квантовых компьютеров и защищенных систем передачи данных.
