In einer bahnbrechenden Leistung für Quantentechnologien haben Forscher des Cavendish Laboratory der University of Cambridge ein funktionelles Quantenregister erstellt, das die Atome in einem Halbleiter -Quantenpunkt unter Verwendung der Atome unter Verwendung eines Halbleiterkontakts erstellt hat.
Veröffentlicht in NaturphysikDie Arbeit zeigt die Einführung einer neuen Art von optisch verbundenen Qubits – einen kritischen Fortschritt bei der Entwicklung von Quantennetzwerken, bei denen stabile, skalierbare und vielseitige Quantenknoten unerlässlich sind.
Quantenpunkte sind nanoskalige Objekte mit einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften, die aus quantenmechanischen Effekten stammen. Diese Systeme werden bereits in Technologien wie Display-Bildschirmen und medizinischen Bildgebung verwendet, und ihre Einführung in der Quantenkommunikation war hauptsächlich auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, als helle Einzelphotonenquellen zu arbeiten. Effektive Quantennetzwerke benötigen jedoch mehr als nur Einzelphotonenemissionen. Sie erfordern auch stabile Qubits, die mit den Photonen interagieren und die Quanteninformationen lokal speichern können. Die neue Forschung baut auf den inhärenten Spins der Atome auf, die die Quantenpunkte als funktionierendes Quantenregister mit vielen Körperbildern bilden, um Informationen über längere Zeiträume zu speichern.
Ein Vielkörpersystem bezieht sich auf eine Sammlung interagierender Partikel-hier die Kernspins innerhalb des Quantenpunkts, deren kollektives Verhalten zu neuen, aufkommenden Eigenschaften führt, die in einzelnen Komponenten nicht vorhanden sind. Durch die Verwendung dieser kollektiven Zustände erstellten die Forscher ein robustes und skalierbares Quantenregister.
Das Cambridge -Team hat in enger Zusammenarbeit mit Kollegen an der Universität von Linz erfolgreich 13.000 Atomwaffen zu einem kollektiven, verwickelten Zustand von Spins vorbereitet, der als „dunkler Zustand“ bekannt ist. Dieser dunkle Zustand reduziert die Wechselwirkung mit seiner Umgebung, was zu einer besseren Kohärenz und Stabilität führt, und dient als logischer „Null“ -Zusatz des Quantenregisters. Sie führten einen komplementären ‚One‘-Zustand als einzelne nukleare Magnonanregung ein-ein Phänomen, das eine kohärente wellenähnliche Anregung darstellt, bei der ein einzelner Kernspin-Flip-Flip durch das Kernensemble ausbrach. Zusammen können diese Zustände ermöglichen, dass die Quanteninformationen mit hoher Wiedergabetreue geschrieben, gespeichert, abgerufen und vorlesen werden. Die Forscher zeigten dies mit einem vollständigen Betriebszyklus und erzielten eine Speichentidelität von fast 69% und eine Kohärenzzeit von mehr als 130 Mikrosekunden. Dies ist ein wichtiger Schritt nach vorne für Quantenpunkte als skalierbare Quantenknoten.
„Dieser Durchbruch ist ein Beweis für die Macht, die viele Körper-Physik bei der Transformation von Quantengeräten haben kann“, sagte Mete Atatüre, Co-Lead-Autor der Studie und Professor für Physik im Cavendish Laboratory. „Durch die Überwindung von langjährigen Einschränkungen haben wir gezeigt, wie Quantenpunkte als Multi-Qubit-Knoten dienen können und den Weg für Quantennetzwerke mit Anwendungen in Kommunikation und verteiltem Computer ebnen. Im Internationalen Jahr 2025 beleuchtet diese Arbeit auch die Arbeiten hervor. Innovative Fortschritte im Cavendish Laboratory zur Erkenntnis des Versprechens von Quantum -Technologien. „
Die Arbeit stellt eine einzigartige Ehe der Halbleiterphysik, der Quantenoptik und der Quanteninformationstheorie dar. Die Forscher verwendeten fortschrittliche Kontrolltechniken, um Kernspins in Galliumarsenid-Quantenpunkten (GAAs) zu polarisieren und eine Umgebung mit niedrigem Nutzen für robuste Quantenoperationen zu schaffen.
„Durch die Anwendung von Quanten-Feedback-Techniken und die Nutzung der bemerkenswerten Gleichmäßigkeit von GaAs-Quantenpunkten haben wir langjährige Herausforderungen überwunden, die durch unkontrollierte nukleare magnetische Wechselwirkungen verursacht werden“, erklärte Dorian Gangloff, Co-Lead-Autor des Projekts und Associate Professor für Quantentechnologie. „Dieser Durchbruch legt nicht nur Quantenpunkte als operative Quantenknoten fest, sondern entsperren auch eine leistungsstarke Plattform, um neue Phänomene mit vielen Körper und aufstrebende Quantenphänomene zu untersuchen.“
Mit Blick auf die Zukunft möchte das Cambridge -Team die Zeit verlängern, die sein Quantenregister Informationen auf zehn Millisekunden speichern kann, indem sie ihre Kontrolltechniken verbessern. Diese Verbesserungen würden die Quantenpunkte als Zwischenquantenerinnerungen in Quantenpeatern geeignet machen – kritische Komponenten zum Anschließen von entfernten Quantencomputern. Dieses ehrgeizige Ziel liegt im Mittelpunkt ihres neuen Quantera Grant Meedgard, einer Zusammenarbeit mit Linz und anderen europäischen Partnern, um Quantengedächtnistechnologien mit Quantenpunkten voranzutreiben. Ihre aktuelle Forschung wurde von EPSRC, der Europäischen Union, dem US -Amt für Marineforschung und der Royal Society unterstützt.
