۱۳۰۰۰ چرخش درهم‌تنیده گامی بزرگ به سوی شبکه‌های کوانتومی پایدار

دانشمندان با بهره‌گیری از فیزیک چند-بدنه، نقاط کوانتومی را به گره‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و پایدار تبدیل کرده‌اند. با درهم‌تنیدن چرخش‌های هسته‌ای در یک "حالت تاریک"، یک رجیستر کوانتومی ایجاد کردند که قادر است اطلاعات کوانتومی را با دقت بالا ذخیره و بازیابی کند. این پیشرفت، شبکه‌های کوانتومی را به واقعیت نزدیک‌تر کرده و امکانات جدیدی را برای ارتباطات و محاسبات باز می‌کند.

یک پیشرفت جدید در شبکه‌های کوانتومی

به گزارش ساینس دیلی، این تحقیق که در مجله Nature Physics منتشر شده است، نوع جدیدی از کیوبیت‌های متصل به‌طور نوری معرفی می‌کند که گامی مهم به سوی توسعه شبکه‌های کوانتومی هستند که به گره‌های کوانتومی پایدار، مقیاس‌پذیر و قابل تطبیق نیاز دارند.

نقاط کوانتومی ساختار‌های نانوسکالی هستند که خواص نوری و الکترونیکی منحصر به‌فردی دارند که از مکانیک کوانتومی نشأت می‌گیرند. این نقاط در فناوری‌هایی مانند صفحه‌نمایش‌ها و تصویربرداری پزشکی کاربرد دارند و به دلیل توانایی‌شان در انتشار فوتون‌های تکی، در ارتباطات کوانتومی مورد توجه قرار گرفته‌اند.

با این حال، ساخت شبکه‌های کوانتومی موثر نیازمند بیش از فقط انتشار فوتون است؛ بلکه به کیوبیت‌های پایدار نیاز دارند که بتوانند با فوتون‌ها تعامل کرده و اطلاعات کوانتومی را به‌طور محلی ذخیره کنند. این مطالعه از چرخش‌های اتمی درون نقاط کوانتومی بهره می‌برد و از آنها به‌عنوان یک رجیستر کوانتومی چند-بدنه برای ذخیره اطلاعات به مدت طولانی استفاده می‌کند.

استفاده از فیزیک چند-بدنه برای ذخیره‌سازی کوانتومی

سیستم‌های چند-بدنه به مجموعه‌ای از ذرات در حال تعامل گفته می‌شود که رفتار جمعی آنها ویژگی‌های جدیدی را ایجاد می‌کند که در اجزای فردی موجود نیست. با استفاده از این حالات جمعی، محققان یک رجیستر کوانتومی مقاوم و مقیاس‌پذیر ایجاد کردند.

تیم کمبریج با همکاری نزدیک با همکاران خود در دانشگاه لینز، موفق شدند ۱۳،۰۰۰ چرخش هسته‌ای را در یک حالت جمعی و درهم‌تنیده به نام "حالت تاریک" آماده کنند. این حالت تاریک باعث کاهش تعامل با محیط اطراف می‌شود، که منجر به بهبود هم‌دوسی و پایداری می‌شود و به‌عنوان حالت منطقی "صفر" در رجیستر کوانتومی عمل می‌کند.

آنها یک حالت مکمل "یک" را به‌عنوان یک تحریک منظم مغناطیسی هسته‌ای معرفی کردند که پدیده‌ای است که یک تحریک موج‌مانند منسجم را نشان می‌دهد که شامل یک تغییر چرخشی هسته‌ای است که از طریق مجموعه هسته‌ها انتشار می‌یابد. این حالات به‌طور مشترک اجازه می‌دهند تا اطلاعات کوانتومی نوشته، ذخیره، بازیابی و با دقت بالا خوانده شوند.

محققان این فرایند را با یک چرخه عملیاتی کامل نشان دادند و موفق شدند دقت ذخیره‌سازی نزدیک به ۶۹٪ و زمان هم‌دوسی بیش از ۱۳۰ میکروثانیه را بدست آورند. این یک گام مهم به‌سوی استفاده از نقاط کوانتومی به‌عنوان گره‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر است.

آزادسازی پتانسیل نقاط کوانتومی

متا آتاتوره، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه و استاد فیزیک در آزمایشگاه کاوندیش گفت: "این پیشرفت گواهی بر قدرت فیزیک چند-بدنه است که می‌تواند دستگاه‌های کوانتومی را تغییر دهد. با غلبه بر محدودیت‌های دیرینه، نشان داده‌ایم که چگونه نقاط کوانتومی می‌توانند به‌عنوان گره‌های چند-کیوبیتی عمل کنند و مسیر را برای شبکه‌های کوانتومی با کاربرد‌هایی در ارتباطات و محاسبات توزیع‌شده هموار کنند. "

این کار نمایانگر ترکیب منحصر به‌فردی از فیزیک نیمه‌هادی، اپتیک کوانتومی و نظریه اطلاعات کوانتومی است. محققان از تکنیک‌های کنترل پیشرفته برای قطب‌سازی چرخش‌های هسته‌ای در نقاط کوانتومی گالیوم آرسنید (GaAs) استفاده کردند تا محیطی با نویز کم برای عملیات کوانتومی پایدار ایجاد کنند.

غلبه بر چالش‌های دیرینه

دوریان گنگلوف، یکی از نویسندگان اصلی پروژه و استاد کمکی فناوری کوانتومی گفت: "با استفاده از تکنیک‌های بازخورد کوانتومی و بهره‌گیری از یکنواختی فوق‌العاده نقاط کوانتومی GaAs، چالش‌های دیرینه ناشی از تعاملات مغناطیسی هسته‌ای کنترل‌نشده را برطرف کرده‌ایم. این پیشرفت نه‌تنها نقاط کوانتومی را به‌عنوان گره‌های کوانتومی عملی معرفی می‌کند، بلکه پلتفرم قدرتمندی برای کاوش در فیزیک جدید چند-بدنه و پدیده‌های کوانتومی نوظهور فراهم می‌آورد. "

آینده حافظه کوانتومی و شبکه‌ها

به‌نظر می‌رسد که تیم کمبریج قصد دارد زمان ذخیره‌سازی اطلاعات در رجیستر کوانتومی خود را به ده‌ها میلی‌ثانیه افزایش دهد و این امر با بهبود تکنیک‌های کنترل امکان‌پذیر خواهد بود. این پیشرفت‌ها نقاط کوانتومی را به‌عنوان حافظه‌های میانجی کوانتومی در تقویت‌کننده‌های کوانتومی مناسب خواهد ساخت که اجزای حیاتی برای اتصال کامپیوتر‌های کوانتومی دور از هم هستند.

این هدف بلندپروازانه در قالب یک کمک‌هزینه جدید از پروژه QuantERA، MEEDGARD، که همکاری‌ای با لینز و سایر شرکای اروپایی است، پیگیری می‌شود تا فناوری‌های حافظه کوانتومی با نقاط کوانتومی پیشرفت کند. تحقیق کنونی آنها با حمایت EPSRC، اتحادیه اروپا، دفتر تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده و انجمن سلطنتی انجام شده است.

انتهای پیام/