光和单个电子用于检测存储在100,000个核量子位的量子信息

先进量子计算机概念

研究人员已经找到了一种方法,利用光和单个电子与一团量子比特进行通信,并感知它们的行为,从而有可能探测到稠密云中的单个量子比特。

来自剑桥大学的研究人员能够在100,000个核的“干草堆”中注入高度脆弱的量子信息的“针”。使用激光器来控制电子,然后研究人员可以使用该电子来控制干草堆的行为,使得更容易找到针。它们能够检测“针”,精度为每百万百百万分:足够高,以检测该大型集合中的单量子位。

该技术可以将高度脆弱的量子信息以光学的方式发送到核系统中进行存储,并以最小的干扰验证其印记,这是基于量子光源的量子互联网发展的重要一步。研究结果发表在杂志上自然物理

第一批量子计算机即将问世,它将利用亚原子粒子的奇怪行为,远超最强大的超级计算机。然而,要充分利用它们的潜力,就需要一种将它们连接起来的方法:量子互联网。传输量子信息的光通道有望成为量子互联网的候选光源,目前没有比半导体量子点更好的量子光源:本质上是人造原子的微小晶体。

然而,有一件事以量子点和量子互联网代替:能够暂时存储沿网络分段帖子的量子信息。

领导这项研究的剑桥卡文迪什实验室的Mete教授Atatüre说:“解决这个问题的方法是将脆弱的量子信息隐藏在每个量子点所包含的10万个原子核组成的云中,就像大草堆中的一根针一样。”“但如果我们试图像与比特通信一样与这些核通信,它们往往会随机‘翻转’,创造一个嘈杂的系统。”

量子点中包含的量子位云通常不在集体状态下行动,使其成为获取信息中的信息的挑战。然而,Atatüre和他的同事们在2019年表明,当使用光线冷却到超低温度时,可以使这些核心合并“量子舞蹈”,显着降低系统中的噪音量。

现在,他们又迈出了在核中存储和检索量子信息的另一个基本步骤。通过控制10万个原子核的集体状态,他们能够以百万分之1.9的超高精度探测到作为“翻转量子比特”的量子信息是否存在:足够观测到原子核云中一个比特的翻转。

“从技术上讲,这是非常苛刻的,”Atatüre说,他也是圣约翰学院的研究员。“我们没有办法与云‘对话’,云也没有办法与我们对话。但我们可以与电子对话:我们可以像牧羊犬牧羊一样与它交流。”

利用来自激光的光,研究人员能够与电子通信,然后电子与原子核的自旋(固有角动量)通信。

通过与电子对话,混沌的自旋集合开始冷却并聚集在引导的电子周围;在这种更有序的状态下,电子可以在原子核中产生自旋波。

“如果我们想象我们的旋转云作为一个100,000只羊随机移动,一只绵羊突然改变方向很难看,”阿塔图尔·奥特兰说。“但是如果整个畜群作为一个明确的波浪,那么单一的绵羊改变方向变得非常明显。”

换句话说,将由单个核自旋翻转产生的自旋波注入到整体中,可以更容易地在100,000个核自旋中检测单个核自旋翻转。

使用这种技术,研究人员能够将信息发送到量子位,并以最小的干扰表示旋转的“倾听”,下降到量子力学设定的基本限制。

卡文迪什实验室的博士生、共同第一作者丹尼尔·杰克逊说:“利用这种控制和传感能力,我们下一步将演示如何存储和检索核自旋寄存器中的任意量子比特。”

圣约翰学院的研究员、第一作者之一Dorian Gangloff说:“这一步将完成连接到光的量子存储器——这是实现量子互联网道路上的主要基石。”

除了其对未来量子互联网的潜在用途外,该技术也可用于固态的发展量子计算

参考:D. M. Jackson, D. a . Gangloff, J. H. Bodey, L. Zaporski, C. Bachorz, E. Clarke, M. Hugues, C. Le Gall和M.的《核系综中相干单自旋激发的量子传感》Atatüre, 2021年2月15日,自然物理
DOI:10.1038 / S41567-020-01161-4

该研究部分由欧洲研究委员会(ERC),工程和物理科学研究委员会(EPSRC)和皇家社会提供支持。

2的评论在“光和单个电子中,用于检测存储在100,000个核量子位的量子信息”

  1. 专家们一直在说,由于一些基本的逻辑问题,通过量子纠缠进行实时超光速通信是不可能的。然而,这项研究确实指出了一种超光速通信信道的可能性。
    “使用这种技术,研究人员能够将信息发送到量子位,并在旋转的情况下以最小的扰动说出,以至于量子力学设定的基本限制。”

  2. “海森堡补偿器”在量子计算中的位置是什么

    h.c.可能与一种装置有关,这种装置会干扰Q粒子对与Q物质相互作用的其他物质作出反应。什么真正的装置或方法稳定了Q,它可以被测量?

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