Новая система основана на ядерных спинах - угловом моменте ядра атома - колеблющихся коллективно в виде спиновой волны. Это коллективное колебание эффективно связывает несколько атомов в цепочки для хранения информации.

Работа, которая описана в статье, опубликованной 16 февраля в журнале Природа, использует квантовый бит (или кубит), изготовленный из иона иттербия (Yb), редкоземельного элемента, также используемого в лазерах. Команда, возглавляемая Андреем Фараоном (BS '04), профессором прикладной физики и электротехники, внедрила ион в прозрачный кристалл ортованадата иттрия (YVO4) и манипулировала его квантовыми состояниями с помощью комбинации оптического и микроволнового полей. Затем команда использовала кубит Yb для управления ядерными спиновыми состояниями множества окружающих атомов ванадия в кристалле.

"Основываясь на нашей предыдущей работе, было известно, что одиночные ионы иттербия являются отличными кандидатами для оптических квантовых сетей, но нам нужно было связать их с дополнительными атомами. Мы демонстрируем это в этой работе", - говорит Фараон, соавтор-корреспондент Природа бумага.

Устройство было изготовлено в Институте нанонауки Кавли в Калтехе, а затем протестировано при очень низких температурах в лаборатории Фараона.

Новый метод использования запутанных ядерных спинов в качестве квантовой памяти был вдохновлен методами, используемыми в ядерном магнитном резонансе (ЯМР).

"Для хранения квантовой информации в ядерных спинах мы разработали новые методы, аналогичные тем, которые используются в аппаратах ЯМР, используемых в больницах", - говорит Джунхи Чой, аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи. "Главная задача состояла в том, чтобы адаптировать существующие методы для работы в отсутствие магнитного поля".

Уникальной особенностью этой системы является заранее определенное размещение атомов ванадия вокруг иттербиевого кубита в соответствии с предписаниями кристаллической решетки. Каждый кубит, измеренный командой, имел идентичный регистр памяти, что означало, что в нем будет храниться одна и та же информация.

"Способность создавать технологию воспроизводимо и надежно является ключом к ее успеху", - говорит аспирант Андрей Рускук, первый автор статьи. "В научном контексте это позволило нам получить беспрецедентное представление о микроскопических взаимодействиях между кубитами иттербия и атомами ванадия в их окружении".

Это исследование является частью более широких усилий лаборатории Фараона по закладке фундамента для будущих квантовых сетей.

Квантовые сети соединяли бы квантовые компьютеры через систему, которая работает на квантовом, а не классическом уровне. Теоретически, квантовые компьютеры однажды смогут выполнять определенные функции быстрее, чем классические компьютеры, используя преимущества особых свойств квантовой механики, включая суперпозицию, которая позволяет квантовым битам хранить информацию в виде 1 и 0 одновременно.

Как и в случае с классическими компьютерами, инженеры хотели бы иметь возможность подключать несколько квантовых компьютеров для обмена данными и совместной работы - создавая "квантовый интернет". Это открыло бы двери для нескольких приложений, включая возможность решать вычисления, которые слишком велики, чтобы быть обработанными одним квантовым компьютером, а также создание неразрывно защищенных коммуникаций с использованием квантовой криптографии.

Статья называется "Ядерный квантовый регистр спин-волн для твердотельного кубита". Соавторами являются аспиранты Чун-Джу Ву и Джейк Рочман (MS '19). Это исследование финансировалось Институтом квантовой информации и материи (IQIM), Центром физики границ Национального научного фонда, при поддержке Фонда Гордона и Бетти Мур, Управления военно-морских исследований, Управления научных исследований ВВС, Northrop Grumman, General Atomics и Weston Havens Foundation.