خلاصه خبر:
محققان MIT و دانشگاه کمبریج در توسعه دستگاهی پیشرفت کرده اند که می تواند انتقال کارآمد اطلاعات کوانتومی را در فواصل طولانی تسهیل کند و توسعه اینترنت کوانتومی را پیش ببرد.این دستگاه دارای یک "ریزتراشه" ساخته شده از الماس است که در آن برخی از اتم های کربن با اتم های قلع جایگزین می شوند و بدین ترتیب دو نوع مختلف کیوبیت الکترونیکی و هسته ای را ترکیب می کند که برای ذخیره و انتقال اطلاعات با هم کار می کنند. این دستگاه چالش در شبکه های کوانتومی را با اجازه دادن به کیوبیت ها برای تعامل قوی با نور و در عین حال به حداقل رساندن اختلال ناشی از نویزهای محیطی حل می کند. در حالی که مطالعه فعلی بر روی یک دستگاه متمرکز است، چشم انداز بلندمدت ادغام صدها یا هزاران دستگاه از این دستگاه ها بر روی یک ریزتراشه است که امکان ادغام کوانتومی در مقیاس بزرگ را فراهم می کند.
توضیحات تکمیلی:
محققان MIT و دانشگاه کمبریج با ایجاد دستگاهی که جریان کارآمد اطلاعات کوانتومی را در فواصل طولانی امکان‌پذیر می‌سازد، پیشرفت قابل‌توجهی در توسعه شبکه‌های کوانتومی داشته‌اند. جزء کلیدی این دستگاه یک "ریزتراشه" ساخته شده از الماس است که در آن برخی از اتم های کربن با اتم های قلع جایگزین می شوند. محققان با ادغام دو نوع مختلف کیوبیت (بیت‌های کوانتومی)، به چالش حفظ اطلاعات کوانتومی و در عین حال حفظ تعامل قوی با فوتون‌ها پرداخته‌اند.
اطلاعات کوانتومی که با کیوبیت ها نشان داده می شوند، به نویزهای محیطی مانند میدان های مغناطیسی بسیار حساس هستند که می توانند اطلاعات را مختل کنند. از یک طرف داشتن کیوبیت هایی که برهمکنش شدیدی با محیط ندارند مطلوب است، در حالی که از طرف دیگر برای انتقال اطلاعات در فواصل طولانی نیاز به تعامل قوی با فوتون ها دارند. محققان با ترکیب کیوبیت های الکترونیکی (بر اساس اسپین) که به راحتی با کیوبیت های نوری و هسته ای که بسیار ایزوله هستند و اطلاعات را برای مدت طولانی تری حفظ می کنند، به هر دو هدف دست یافته اند.
این دستگاه به این صورت عمل می کند که به کیوبیت الکترونیکی اجازه می دهد در نقص قلع الماس به دام بیفتد و سپس اطلاعات آن را به کیوبیت هسته ای منتقل کند. این تعامل بین اسپین های الکترونیکی و هسته ای ذخیره و انتقال اطلاعات کوانتومی را امکان پذیر می کند. این دستگاه از چندین موجبر الماس ریز تشکیل شده است که هر کدام هزار برابر کوچکتر از موی انسان است و چندین دستگاه می توانند به عنوان گره در یک شبکه کوانتومی عمل کنند.
نتایج تجربی کارایی فوتونی بالا و کیوبیت‌های طولانی مدت را نشان می‌دهد. راندمان استخراج موجبر به فیبر دستگاه امکان تشخیص عملی رویدادهای پنج فوتونی را فراهم می کند. علاوه بر این، محققان به راه‌اندازی مستقیم اسپین هسته‌ای نوری با دقت بالا و بازخوانی تک‌شات دست یافته‌اند. آنها همچنین یک ناخطی‌گری تک فوتونی کنترل‌شده با اسپین را نشان داده اند که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی پیشرفت قابل توجهی است.
این تحقیق گامی حیاتی به سوی تحقق شبکه های کوانتومی مقیاس پذیر است. محققان با ترکیب انواع مختلف کیوبیت ها و استفاده از موجبرهای الماس نانوفوتونیکی، یک گره کوانتومی همه کاره ایجاد کرده اند که به چالش های حفظ اطلاعات کوانتومی و تسهیل انتقال آن در فواصل طولانی می پردازد. این یافته ها راه را برای توسعه آینده اینترنت کوانتومی و ادغام در مقیاس بزرگ دستگاه های کوانتومی هموار می کند.
منبع
Ryan A. Parker et al, A diamond nanophotonic interface with an optically accessible deterministic electronuclear spin register, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01332-8
