长距离量子信息交换 - 纳米尺度的成功

在哥本哈根大学的Niels Bohr研究所,研究人员已经意识到远距离量子点之间电子自旋的交换。这一发现使我们更接近量子信息的未来应用,因为微小的点必须在微芯片上留下足够的空间用于精细的控制电极。点之间的距离现在变得足够大,可以与传统的微电子技术集成,也许是未来的量子计算机。结果是通过与普渡大学和澳大利亚悉尼大学的多国合作实现的,该大学现已在Nature Communications上发表。

即使在纳米尺度上,尺寸在量子信息交换中也很重要

可以使用电子自旋状态来存储和交换量子信息。电子的电荷可以通过栅极电压脉冲来控制,栅极电压脉冲也可以控制它们的自旋。人们相信这种方法只有在量子点相互接触时才能实用;如果挤得太近,旋转会反应太猛烈,如果放得太远,旋转的反应会太慢。这造成了一个两难的境地,因为如果量子计算机能够看到光明的一天,我们需要快速自旋交换和量子点周围足够的空间来容纳脉冲栅极电极。

通常,量子点的线性阵列中的左和右点相距太远而不能彼此交换量子信息。澳大利亚悉尼新南威尔士大学博士后Frederico Martins解释说:“我们在电子的自旋状态下对量子信息进行编码,这些状态具有理想的特性,即它们与嘈杂的环境无法相互作用,因此它们具有很强的有效性和长效性。但是当你想积极处理量子信息时,缺乏互动是适得其反的 - 因为现在你想让旋转互动!该怎么办?你不能同时拥有长期信息和信息交换 - 或者看起来如此。“我们发现通过在左点和右点之间放置一个大而细长的量子点,它可以调节自旋态的连贯交换,在十亿分之一秒内,没有将电子从它们的点移出。换句话说,我们现在同时具有快速相互作用和脉冲栅极电极所需的空间,“Niels Bohr研究所副教授Ferdinand Kuemmeth说。

无论是内部还是外部,合作都是绝对必要的

具有不同专业知识的研究人员之间的合作是成功的关键内部合作不断提高纳米加工工艺的可靠性和低温技术的复杂性。事实上,在量子器件中心,目前正在研究实施固态量子计算机的主要竞争者,即半导体自旋量子位,超导门控量子位和拓扑Majorana量子位。

所有这些都是电压控制的量子比特,允许研究人员共享技巧并共同解决技术挑战。但Kuemmeth很快补充说,“如果我们首先无法获得极其干净的半导体晶体,那么所有这些都将是徒劳的。”材料工程教授Michael Manfra对此表示赞同:“Purdue在理解导致安静稳定的量子点的机制方面付出了很多努力。看到这项工作为哥本哈根的新型量子比特带来好处,真是太棒了。”

该发现的理论框架由澳大利亚悉尼大学提供。悉尼大学量子物理学教授斯蒂芬巴特利特说:“作为一个理论家,我对这一结果感到兴奋的是,它使我们摆脱了仅依靠最近邻居的量子比特的约束几何形状。”他的团队进行了详细的计算,为违反直觉的发现提供了量子力学解释。

总的来说,快速自旋交换的证明不仅构成了显着的科学和技术成就,而且可能对固态量子计算机的结构产生深远的影响。原因是距离:“如果可以可控制地交换非相邻量子位之间的旋转,这将允许实现网络,其中增加的量子位 - 量子位连接转换为显着增加的计算量子体积,”Kuemmeth预测。