Исследователи разработали простое решение для квантовой памяти на основе алмазов.
Квантовый интернет обещает полностью безопасную связь. Но использование квантовых бит или кубитов для переноса информации требует радикально нового аппаратного обеспечения - квантовой памяти. Это устройство атомного масштаба должно хранить квантовую информацию и преобразовывать ее в свет для передачи по сети.
Главной задачей этого способа является то, что кубиты чрезвычайно чувствительны к окружающей их среде, даже вибрации соседних атомов могут нарушить их способность запоминать информацию. До сих пор исследователи полагались на чрезвычайно низкие температуры для небольших вибраций, но достижение этих температур для крупномасштабных квантовых сетей является чрезмерно дорогостоящим.
Теперь исследователи из Школы инженеров и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона (SEAS) и Кембриджского университета разработали решение для квантовой памяти, которое так же просто, как настройка гитары.
Исследователи разработали алмазные струны, которые могут быть настроены на то, чтобы успокоить окружающую среду кубита и улучшить память с десятков до нескольких сотен наносекунд, достаточно времени для выполнения многих операций на квантовой микросхеме.
«Примеси в алмазе стали многообещающими узлами для квантовых сетей», - сказал Марко Лонкар, профессор электротехнической инженерии Tiantsai Lin в SEAS и старший автор исследования. «Тем не менее, они не идеальны. Некоторые виды примесей действительно хороши для сохранения информации, но с трудом передают информацию, в то время как другие действительно хорошие коммуникаторы, но страдают от потери памяти. В этой работе мы взяли последний тип и улучшили память в десять раз ».
Исследование опубликовано в Nature Communications.
Примеси в алмазе, известные как центры вакансий кремния (англ. silicon-vacancy color centers), являются мощными кубитами. Электрон, захваченный в центре, действует как бит памяти и может излучать одиночные фотоны красного света, которые, в свою очередь, будут выступать в качестве дальних информационных носителей квантового Интернета. Но с соседними атомами в алмазном кристалле, вибрирующим случайным образом, электрон в центре быстро забывает любую квантовую информацию, которую просят запомнить.
«Быть электроном в цветовом центре - это как попытка учиться на шумном рынке», - сказал Сруджан Мезала, аспирант SEAS и один из первых авторов этой статьи. «Вокруг вас есть весь этот шум. Если вы хотите что-то вспомнить, вам нужно либо попросить толпу помолчать, либо найти способ сосредоточиться при шуме. Мы сделали последнее».
Чтобы улучшить память в шумной среде, исследователи вырезали алмазный кристалл, в котором был этот центр, в тонкую нитку, шириной около одного микрометра (в сто раз тоньше, чем прядь волос) и прикрепили электроды с обеих сторон. Прикладывая напряжение, алмазная струна растягивается и увеличивает частоту колебаний, к которым чувствителен электрон, точно так же, как затягивание гитарной струны увеличивает частоту.
Credit: Second Bay Studios/Harvard SEAS
«Создавая напряжение в струне, мы увеличиваем энергетический масштаб вибраций, к которым электрон чувствителен, а это означает, что теперь он может чувствовать только очень высокие энергетические вибрации», - сказал Мезала. «Этот процесс эффективно превращает окружающие вибрации в кристалле в нерелевантный фоновый шум, позволяя электрону внутри вакансии комфортно сохранить информацию на сотни наносекунд, что является действительно долгим временем в квантовой шкале. Симфония из этих настраиваемых алмазных струн могла бы послужить основой будущего квантового Интернета».
В дальнейшем исследователи надеются увеличить память кубитов на миллисекунду, что позволит проводить сотни тысяч операций и обеспечит квантовую коммуникацию на большие расстояния.
Источник: Young-Ik Sohn et al. Controlling the coherence of a diamond spin qubit through its strain environment, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04340-3