Опубликованная в журнале Nature Physics работа демонстрирует внедрение нового типа оптически связанных кубитов - важнейший шаг вперед в развитии квантовых сетей, где необходимы стабильные, масштабируемые и универсальные квантовые узлы.

Квантовые точки - это наноразмерные объекты с уникальными оптическими и электронными свойствами, которые обусловлены квантово-механическими эффектами. Эти системы уже используются в таких технологиях, как экраны дисплеев и медицинская визуализация, и их внедрение в квантовую коммуникацию произошло главным образом благодаря их способности работать в качестве ярких однофотонных источников. Однако эффективные квантовые сети нуждаются не только в однофотонном излучении; им также требуются стабильные кубиты, которые могут взаимодействовать с фотонами и локально хранить квантовую информацию. Новое исследование основано на свойственных спинам атомов, образующих квантовые точки, как функционирующий многочастичный квантовый регистр для хранения информации в течение длительных периодов времени.

Система из многих тел относится к совокупности взаимодействующих частиц - в данном случае ядерных спинов внутри квантовой точки, - чье коллективное поведение приводит к появлению новых, возникающих свойств, которых нет у отдельных компонентов. Используя эти коллективные состояния, исследователи создали надежный и масштабируемый квантовый регистр.

Кембриджская команда в тесном сотрудничестве с коллегами из Университета Линца успешно преобразовала 13 000 ядерных спинов в коллективное запутанное состояние спинов, известное как "темное состояние". Это темное состояние уменьшает взаимодействие с окружающей средой, что приводит к лучшей когерентности и стабильности, и служит логическим "нулем". состояние квантового регистра. Они ввели комплементарное "единое" состояние в виде возбуждения одиночного ядерного магнона - явление, представляющее собой когерентное волнообразное возбуждение, включающее в себя одиночный ядерный переворот спина, распространяющийся по ядерному ансамблю. Вместе эти состояния позволяют записывать, хранить, извлекать и считывать квантовую информацию с высокой точностью. Исследователи продемонстрировали это на примере полного рабочего цикла, достигнув точности хранения почти на 69% и времени когерентности, превышающего 130 микросекунд. Это важный шаг вперед для квантовых точек как масштабируемых квантовых узлов.

"Этот прорыв является свидетельством мощи физики многих тел в преобразовании квантовых устройств", - сказал Мете Ататюре, один из ведущих авторов исследования и профессор физики в Кавендишской лаборатории. "Преодолев давние ограничения, мы показали, как квантовые точки могут служить многокубитными узлами, прокладывая путь для квантовых сетей с приложениями в области связи и распределенных вычислений. В 2025 году, в Международный год квантовой физики, эта работа также освещает инновационные шаги, предпринимаемые Кавендишской лабораторией в направлении реализации перспектив квантовых технологий".

Работа представляет собой уникальное сочетание физики полупроводников, квантовой оптики и квантовой теории информации. Исследователи использовали передовые методы управления для поляризации ядерных спинов в квантовых точках арсенида галлия (GaAs), создавая среду с низким уровнем шума для надежных квантовых операций.

"Применяя методы квантовой обратной связи и используя замечательную однородность квантовых точек GaAs, мы преодолели давние проблемы, вызванные неконтролируемыми ядерно-магнитными взаимодействиями", - объяснил Дориан Ганглофф, один из ведущих авторов проекта и доцент кафедры квантовых технологий. "Этот прорыв не только превращает квантовые точки в действующие квантовые узлы, но и открывает мощную платформу для изучения новой физики многих тел и возникающих квантовых явлений".

Забегая вперед, команда из Кембриджа стремится увеличить время, в течение которого их квантовый регистр может хранить информацию, до десятков миллисекунд за счет совершенствования методов управления. Эти усовершенствования сделали бы квантовые точки пригодными в качестве промежуточных квантовых запоминающих устройств в квантовых ретрансляторах - критически важных компонентах для подключения удаленных квантовых компьютеров. Эта амбициозная цель находится в центре внимания их нового гранта QuantERA, MEEDGARD, в сотрудничестве с Линцем и другими европейскими партнерами, направленного на развитие технологий квантовой памяти с использованием квантовых точек. Их текущее исследование было поддержано EPSRC, Европейским союзом, Управлением военно-морских исследований США и Королевским обществом.