Povezivanje atoma u lanac omogućuje kvantno skladištenje informacija

Inženjeri u Caltechu razvili su oblik kvantne pohrane koji bi mogao pomoći razvoju velikih optičkih kvantnih mreža.

Spinovi atomskih jezgra

Novi sustav se oslanja na spinove (kutni moment) atomskih jezgra koji zajedno osciliraju kao val spinova. Ova kolektivna oscilacija povezuje atome i omogućuje pohranjivanje informacija.

Znanstvenici u novom radu spominju korištenje kvantnog bita (kubita) napravljenog od iona iterbija (Yb), rijetkog elementa koji se također koristi u laserima. Tim, predvođen Andrejem Faraonom (BS ’04), profesorom primijenjene fizike i elektrotehnike, ugradio je ion u prozirni kristal itrijevog ortovanadata (YVO4) te manipulirao njegovim kvantnim stanjima kombinacijom optičkih i mikrovalnih polja. Tim je zatim koristio Yb kubit za kontrolu stanja spina više okolnih atoma vanadija u kristalu.

“Na temelju našeg prethodnog rada, pojedini iterbijevi ioni prepoznati su kao izvrsni kandidati za optičke kvantne mreže, ali morali smo ih povezati s dodatnim atomima. To smo učinili u ovom radu”, kaže Faraon.

Inspiracija je došla od nuklearne magnetske rezonance (NMR)

Uređaj je proizveden na Kavli nanoznanstvenom institutu u Caltechu, a zatim testiran na vrlo niskim temperaturama u Faraonovom laboratoriju. Nova tehnika za korištenje zamršenih nuklearnih spinova kao kvantne memorije inspirirana je metodama korištenim u nuklearnoj magnetskoj rezonanci (NMR).

“Za pohranu kvantnih informacija u spinovima, razvili smo nove tehnike slične onima koje se koriste u NMR strojevima koji se inače koriste u bolnicama”, kaže Joonhee Choi, postdoktorant na Caltechu i ko-korespondentni autor rada. “Glavni izazov bio je prilagoditi postojeće tehnike za rad u odsutnosti magnetskog polja.”

Jedinstvena značajka ovog sustava je unaprijed određeno postavljanje atoma vanadija oko iterbijevog kubita kako nalaže kristalna rešetka. Svaki kubit koji je tim izmjerio imao je identičan memorijski registar, što znači da će pohraniti iste informacije.

Kvantne mreže i kvantna računala

“Sposobnost da se tehnologija pouzdano reproducira ključna je za njezin uspjeh”, kaže diplomirani student 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 će jednog dana moći obavljati određene funkcije mnogo brže od klasičnih računala, koristeći prednosti posebnih svojstava kvantne mehanike, uključujući superpoziciju koja će omogućavati kvantnim bitovima da istovremeno pohranjuju informacije i kao 1, i kao 0.

Kao što je slučaj s klasičnim računalima, inženjeri bi htjeli povezati više kvantnih računala za dijeljenje podataka i zajednički rad, stvarajući tzv “kvantni internet”. To bi otvorilo vrata za različite primjene, uključujući mogućnost obavljanja računalnih operacija koje su prevelike da bi ih izvršilo jedno kvantno računalo, kao i uspostavu neraskidivo sigurne komunikacije pomoću kvantne kriptografije.

https://kozmos.hr/novi-senzorni-uredaj-stavlja-nas-korak-blize-prema-mapiranju-svijeta-ispod-zemljine-povrsine/

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

–t.me/kozmoshr

Izvori:

Andrei Ruskuc, Chun-Ju Wu, Jake Rochman, Joonhee Choi, Andrei Faraon. Nuclear spin-wave quantum register for a solid-state qubit. Nature, 2022; 602 (7897): 408 DOI: 10.1038/s41586-021-04293-6

California Institute of Technology. “Chaining atoms together yields quantum storage: New technique could make quantum networking possible.” ScienceDaily. ScienceDaily, 17 February 2022.

Perkins R. (16. veljače 2022.), Chaining Atoms Together Yields Quantum Storage, Caltech.edu (pristup 25. veljače 2022.)