Povezivanje atoma zajedno dovodi do kvantne memorije
Inženjeri u Caltechu razvili su pristup za kvantnu pohranu koji bi mogao pomoći u utrti put za razvoj velikih optičkih kvantnih mreža. Novi sustav se oslanja na nuklearne spinove – kutni moment atomske jezgre – koji zajedno osciliraju kao spinski val. Ova kolektivna oscilacija učinkovito povezuje nekoliko atoma za pohranjivanje informacija.
Rad, koji je opisan u radu objavljenom u časopisu Nature, koristi kvantni bit (ili kubit) napravljen od iona iterbija (Yb), elementa rijetke zemlje koji se također koristi u laserima. Tim, predvođen Andreijem Faraonom, profesorom primijenjene fizike i elektrotehnike, ugradio je ion u prozirni kristal itrijevog ortovanadata (YVO4) i manipulirao njegovim kvantnim stanjima kombinacijom optičkih i mikrovalnih polja. Tim je zatim koristio Yb kubit za kontrolu stanja nuklearnog spina više okolnih atoma vanadija u kristalu.
"Na temelju našeg prethodnog rada, pojedini iterbijevi ioni bili su poznati kao izvrsni kandidati za optičke kvantne mreže, ali morali smo ih povezati s dodatnim atomima. To pokazujemo u ovom radu", kaže Faraon, korespondentni autor.
Uređaj je proizveden na Kavli nanoznanstvenom institutu na Caltechu, a zatim testiran na vrlo niskim temperaturama u Faraonovom laboratoriju. Nova tehnika za korištenje isprepletenih nuklearnih spinova kao kvantne memorije inspirirana je metodama korištenim u nuklearnoj magnetskoj rezonanciji (NMR).
"Za pohranu kvantnih informacija u nuklearnim spinovima, razvili smo nove tehnike slične onima koje se koriste u NMR strojevima koji se koriste u bolnicama", kaže Joonhee Choi, postdoktorant na Caltechu i autor rada. "Glavni izazov bio je prilagoditi postojeće tehnike za rad u nedostatku magnetskog polja."
Jedinstvena značajka ovog sustava je unaprijed određeno postavljanje atoma vanadija oko iterbijevog kubita kako je propisano kristalnom rešetkom. Svaki kubit koji je tim izmjerio imao je identičan memorijski registar, što znači da će pohraniti iste informacije.
"Sposobnost da se tehnologija reproducira i pouzdano izgradi ključna je za njezin uspjeh", kaže doktorant Andrei Ruskuc, prvi autor rada. "U znanstvenom kontekstu, ovo nam omogućuje uvid bez presedana u mikroskopske interakcije između iterbijevih kubita i atoma vanadija u njihovoj okolini."
Ovo istraživanje dio je šireg nastojanja Faraonova laboratorija da postavi temelje za buduće kvantne mreže. Kvantne mreže povezivale bi kvantna računala kroz sustav koji radi na kvantnoj, a ne klasičnoj razini. U teoriji, kvantna računala bi jednoga dana mogla obavljati određene funkcije brže od klasičnih računala koristeći prednosti posebnih svojstava kvantne mehanike, uključujući superpoziciju, koja omogućuje kvantnim bitovima da pohranjuju informacije kao 1 i 0 istovremeno.
Kao što to mogu s klasičnim računalima, inženjeri bi željeli biti u mogućnosti povezati više kvantnih računala za dijeljenje podataka i zajednički rad – stvarajući "kvantni internet". To bi otvorilo vrata za nekoliko aplikacija, uključujući mogućnost rješavanja računanja koja su prevelika da bi ih moglo upravljati jednim kvantnim računalom, kao i uspostavu neraskidivo sigurne komunikacije pomoću kvantne kriptografije.
Izvor: Nature