強力な刺激物質の量子ビット：研究者たちは、スピンリッチな物質における量子情報の保存時間を改善する方法を発見

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光と強く結合した核スピンと相互作用する量子ドット内の電子スピンのアーティストの印象 (レンズを通して見たもの)。 CREDIT Leon Zaporski - ケンブリッジ大学

光と強く結合した核スピンと相互作用する量子ドット内の電子スピンのアーティストの印象 (レンズを通して見たもの)。クレジット
レオン・ザポルスキー – ケンブリッジ大学

要約：
科学者の国際チームは、実用的な量子ネットワークと量子コンピューターの世界的な推進の一環として、量子ドットスピンキュービットの量子コヒーレンスの保持における飛躍を実証しました。

強力な興奮剤の量子ビット: 研究者は、スピンが豊富な材料での量子情報の保存時間を改善する方法を見つけます

ケンブリッジ、イギリス | 投稿日: 27 年 2023 月 XNUMX 日

これらの技術は、情報転送のセキュリティから、新しい特性を持つ材料や化学物質の探索、センサー間の正確な時間同期を必要とする基本的な物理現象の測定まで、幅広い産業や研究活動に変革をもたらすでしょう。

スピン-フォトンインターフェースは、量子ネットワークの基本構成要素であり、静止した量子情報 (イオンの量子状態や固体スピンキュービットなど) を、長距離にわたって分散可能な光、つまりフォトンに変換できるようにします。主な課題は、量子情報を保存するのに優れ、光に変換するのに効率的なインターフェイスを見つけることです。光学的に活性な半導体量子ドットは、これまでに知られている中で最も効率的なスピン-光子界面ですが、数マイクロ秒を超えて蓄積時間を延長することは、XNUMX 年にわたる研究努力にもかかわらず、物理学者を困惑させてきました。現在、ケンブリッジ大学、リンツ大学、シェフィールド大学の研究者は、量子情報の保存をXNUMXマイクロ秒を超えて改善する、この問題に対する単純な材料の解決策があることを示しました。

量子ドットは、何千もの原子でできた結晶構造です。これらの原子核のそれぞれは、量子ドットの電子に結合する磁気双極子モーメントを持ち、電子キュービットに保存されている量子情報の損失を引き起こす可能性があります。 Nature Nanotechnology で報告された研究チームの発見は、同じ格子定数を持つ半導体材料で構築されたデバイスでは、原子核が同じ環境を「感じ」、調和して振る舞ったことです。その結果、この核ノイズを除去し、蓄積時間をほぼ XNUMX 桁改善することが可能になりました。

「これは、原子核との相互作用をオフにし、電子スピンを何度も再集束して量子状態を維持できる、光学的に活性な量子ドットのまったく新しい体制です。」事業。「私たちの研究では数百マイクロ秒を実証しましたが、実際には、現在この体制にあり、はるかに長いコヒーレンス時間が手の届くところにあることがわかっています。量子ドットのスピンの場合、短いコヒーレンス時間がアプリケーションへの最大の障害であり、この発見はそれに対する明確でシンプルな解決策を提供します.」

初めて XNUMX マイクロ秒のタイムスケールを調査したとき、研究者は、電子がデバイス内の電気ノイズではなく、原子核からのノイズのみを認識していることを発見して、うれしい驚きを覚えました。核集合体は孤立した量子系であり、コヒーレント電子は大きな核スピン集合体における量子現象への入り口となるため、これは本当に素晴らしい位置にあります。

研究者たちを驚かせたもうXNUMXつのことは、核から拾われた「音」でした。当初予想されていたほど調和的ではなく、さらなる材料工学を通じてシステムの量子コヒーレンスをさらに改善する余地があります.

「この研究で採用された格子整合材料システムで作業を開始したとき、明確に定義された特性と優れた光学品質を備えた量子ドットを得ることは容易ではありませんでした」 – リンツ大学のこの論文の共著者である Armando Rastelli は言います. 「当初は好奇心に駆られたかなり「エキゾチックな」システムの研究ラインと、熟練したチームメンバーである Santanu Manna と Saimon Covre da Silva の忍耐力が、これらの素晴らしい結果に基づいたデバイスにつながったことを見て、非常にやりがいを感じています。今、私たちはナノ構造が何に適しているかを知り、協力者と一緒にその特性をさらにエンジニアリングするという観点に興奮しています。」

「この研究で最もエキサイティングなことの XNUMX つは、複雑な量子システムを手なずけることです。XNUMX 万個の原子核が、十分に制御された電子スピンに強く結合しています」と、論文の筆頭著者であるキャベンディッシュ博士課程の学生である Leon Zaporski 氏は説明します。「ほとんどの研究者は、すべての相互作用を取り除くことによって、ノイズから量子ビットを分離するという問題に取り組みます。彼らの量子ビットは、鎮静剤を投与されたシュレディンガーの猫のようになり、誰かが尻尾を引っ張ってもほとんど反応しなくなります。私たちの「猫」は強力な覚せい剤を使用しているため、実際には、猫をもっと楽しむことができます。」

「量子ドットは現在、高いフォトニック量子効率と長いスピンコヒーレンス時間を組み合わせています」と、この論文の共著者である Mete Atatüre 教授は説明しています。「近い将来、これらのデバイスにより、全フォトニック量子コンピューティング用のエンタングルド光状態の作成が可能になり、核スピンアンサンブルの基本的な量子制御実験が可能になると考えています。」

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