Qubits auf starken Stimulanzien: Forscher finden Möglichkeiten, die Speicherzeit von Quanteninformationen in einem spinreichen Material zu verbessern

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Künstlerische Darstellung eines Elektronenspins in einem Quantenpunkt, verbunden mit Licht und stark gekoppelten Kernspins (durch eine Linse betrachtet). KREDIT
Leon Zaporski – Universität Cambridge

Abstract:
Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat im Rahmen des globalen Strebens nach praktischen Quantennetzwerken und Quantencomputern einen Sprung bei der Erhaltung der Quantenkohärenz von Quantenpunkt-Spin-Qubits demonstriert.

Qubits auf starken Stimulanzien: Forscher finden Möglichkeiten, die Speicherzeit von Quanteninformationen in einem spinreichen Material zu verbessern

Cambridge, Großbritannien | Gepostet am 27. Januar 2023

Diese Technologien werden ein breites Spektrum von Branchen und Forschungsanstrengungen verändern: von der Sicherheit der Informationsübertragung über die Suche nach Materialien und Chemikalien mit neuartigen Eigenschaften bis hin zu Messungen grundlegender physikalischer Phänomene, die eine präzise Zeitsynchronisation zwischen den Sensoren erfordern.

Spin-Photon-Grenzflächen sind elementare Bausteine für Quantennetzwerke, die es ermöglichen, stationäre Quanteninformationen (etwa den Quantenzustand eines Ions oder ein Festkörper-Spin-Qubit) in Licht, nämlich Photonen, umzuwandeln, die über große Entfernungen verteilt werden können. Eine große Herausforderung besteht darin, eine Schnittstelle zu finden, die Quanteninformationen sowohl gut speichern als auch effizient in Licht umwandeln kann. Optisch aktive Halbleiter-Quantenpunkte sind die bisher effizientesten bekannten Spin-Photonen-Schnittstellen, aber die Verlängerung ihrer Speicherzeit über einige Mikrosekunden hinaus hat die Physiker trotz jahrzehntelanger Forschungsanstrengungen verwirrt. Jetzt haben Forscher der University of Cambridge, der Universität Linz und der University of Sheffield gezeigt, dass es eine einfache Materiallösung für dieses Problem gibt, die die Speicherung von Quanteninformationen über Hundert Mikrosekunden hinaus verbessert.

Quantum Dots sind kristalline Strukturen aus vielen tausend Atomen. Jeder dieser Atomkerne hat ein magnetisches Dipolmoment, das an das Quantenpunktelektron koppelt und den Verlust der im Elektronen-Qubit gespeicherten Quanteninformation verursachen kann. Das in Nature Nanotechnology veröffentlichte Ergebnis des Forschungsteams ist, dass in einem Gerät, das aus Halbleitermaterialien mit denselben Gitterparametern aufgebaut ist, die Kerne dieselbe Umgebung "fühlten" und sich im Einklang verhielten. Als Ergebnis ist es jetzt möglich, dieses nukleare Rauschen herauszufiltern und eine Verbesserung der Speicherzeit um nahezu zwei Größenordnungen zu erreichen.

„Dies ist ein völlig neues Regime für optisch aktive Quantenpunkte, bei dem wir die Wechselwirkung mit Kernen ausschalten und den Elektronenspin immer wieder neu fokussieren können, um seinen Quantenzustand am Leben zu erhalten“, sagte Claire Le Gall vom Cavendish Laboratory in Cambridge, die die leitete Projekt. „Wir haben Hunderte von Mikrosekunden in unserer Arbeit demonstriert, aber jetzt, wo wir uns in diesem Regime befinden, wissen wir wirklich, dass viel längere Kohärenzzeiten in Reichweite sind. Für Spins in Quantenpunkten waren kurze Kohärenzzeiten das größte Hindernis für Anwendungen, und diese Erkenntnis bietet eine klare und einfache Lösung dafür.“

Als die Forscher zum ersten Mal die Zeitskalen von hundert Mikrosekunden untersuchten, stellten sie angenehm überrascht fest, dass das Elektron nur Rauschen von den Kernen sieht, im Gegensatz zu beispielsweise elektrischem Rauschen im Gerät. Dies ist wirklich eine großartige Position, da das Kernensemble ein isoliertes Quantensystem ist und das kohärente Elektron ein Tor zu Quantenphänomenen in einem großen Kernspin-Ensemble sein wird.

Eine andere Sache, die die Forscher überraschte, war der „Ton“, der von den Kernen aufgenommen wurde. Es war nicht ganz so harmonisch wie ursprünglich erwartet, und es gibt Raum für eine weitere Verbesserung der Quantenkohärenz des Systems durch weitere Materialentwicklung.

„Als wir anfingen, mit dem in dieser Arbeit verwendeten gitterangepassten Materialsystem zu arbeiten, war es nicht einfach, Quantenpunkte mit wohldefinierten Eigenschaften und guter optischer Qualität zu erhalten“, sagt Armando Rastelli, Co-Autor dieser Arbeit an der Universität Linz . „Es ist sehr bereichernd zu sehen, dass eine ursprünglich von Neugier getriebene Forschungslinie an einem eher ‚exotischen‘ System und die Beharrlichkeit der erfahrenen Teammitglieder Santanu Manna und Saimon Covre da Silva zu den Geräten geführt haben, die diesen spektakulären Ergebnissen zugrunde liegen. Jetzt wissen wir, wofür unsere Nanostrukturen gut sind, und wir sind begeistert von der Perspektive, ihre Eigenschaften gemeinsam mit unseren Mitarbeitern weiterzuentwickeln.“

„Eines der aufregendsten Dinge an dieser Forschung ist die Zähmung eines komplexen Quantensystems: Hunderttausend Kerne, die stark an einen gut kontrollierten Elektronenspin koppeln“, erklärt Cavendish-Doktorand Leon Zaporski – der Erstautor der Arbeit. „Die meisten Forscher gehen das Problem an, Qubits vom Rauschen zu isolieren, indem sie alle Wechselwirkungen entfernen. Ihre Qubits werden ein bisschen wie sedierte Schrödinger-Katzen, die kaum reagieren können, wenn jemand an ihrem Schwanz zieht. Unsere ‚Katze‘ bekommt starke Stimulanzien, was in der Praxis bedeutet, dass wir mehr Spaß damit haben können.“

„Quantenpunkte kombinieren jetzt eine hohe photonische Quanteneffizienz mit langen Spin-Kohärenzzeiten“, erklärt Professor Mete Atatüre, Co-Autor dieser Veröffentlichung. „In naher Zukunft stellen wir uns vor, dass diese Geräte die Erzeugung verschränkter Lichtzustände für das allphotonische Quantencomputing ermöglichen und grundlegende Experimente zur Quantenkontrolle des Kernspin-Ensembles ermöglichen.“

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