Представление художника о спине электрона в квантовой точке, сопряженном со светом и сильно связанными ядерными спинами (вид через линзу). 
Фото: Леон Запорски, Кембриджский университет

Спин-фотонные интерфейсы — это элементарные строительные блоки для квантовых сетей, которые позволяют преобразовывать стационарную квантовую информацию (такую ​​как квантовое состояние иона или твердотельный спиновый кубит) в свет, а именно фотоны, которые могут распространяться на большие расстояния. Основная проблема состоит в том, чтобы найти интерфейс, который хорошо бы хранил квантовую информацию и эффективно преобразовывал ее в свет.

Оптически активные полупроводниковые квантовые точки представляют собой самый эффективный из известных на сегодняшний день интерфейсов спин-фотонов, но то, что время их хранения превышает несколько микросекунд, озадачило физиков, несмотря на десятилетние исследовательские усилия. Теперь исследователи из Кембриджского университета, Университета Линца и Университета Шеффилда показали, что существует простое решение этой проблемы с помощью материала, которое улучшает хранение квантовой информации за пределами сотен микросекунд.

Квантовые точки — это кристаллические структуры, состоящие из многих тысяч атомов. Ядра каждого из этих атомов обладают магнитным дипольным моментом, который связан с электроном квантовой точки и может вызвать потерю квантовой информации , хранящейся в электронном кубите. Вывод исследовательской группы, опубликованный в журнале Nature Nanotechnology, заключается в том, что в устройстве, построенном из полупроводниковых материалов с одинаковым параметром решетки, ядра «чувствовали» одну и ту же среду и вели себя в унисон. В результате теперь можно отфильтровать этот ядерный шум и добиться увеличения времени хранения почти на два порядка.

«Это совершенно новый режим для оптически активных квантовых точек, в котором мы можем отключать взаимодействие с ядрами и перефокусировать спин электрона снова и снова, чтобы сохранить его квантовое состояние живым», — сказала Клэр Ле Гал из Кембриджской Кавендишской лаборатории, возглавлявшая исследование.

«В нашей работе мы продемонстрировали сотни микросекунд, но на самом деле, теперь, когда мы находимся в этом режиме, мы знаем, что гораздо более длительное время когерентности находится в пределах досягаемости. Для спинов в квантовых точках короткие времена когерентности были самым большим препятствием для приложений, и это открытие предлагает ясное и простое решение этой проблемы».

Исследуя шкалу времени в сто микросекунд в первый раз, исследователи были приятно удивлены, обнаружив, что электрон видит только шум от ядер, а не, скажем, электрический шум в устройстве. Это действительно замечательная позиция, потому что ядерный ансамбль — это изолированная квантовая система, а когерентный электрон будет воротами к квантовым явлениям в большом ансамбле ядерных спинов.

Еще одна вещь, которая удивила исследователей, — это «звук», исходящий от ядер. Это было не так гармонично, как предполагалось изначально, и есть возможности для дальнейшего улучшения квантовой когерентности системы за счет дальнейшей инженерии материалов.

«Когда мы начали работать с системой материалов с согласованной решеткой, используемой в этой работе, получить квантовые точки с четко определенными свойствами и хорошим оптическим качеством было непросто», — говорит Армандо Растелли, соавтор этой статьи из Университета Линца. .

«Очень приятно видеть, что изначально движимое любопытством направление исследований довольно «экзотической» системы и настойчивость опытных членов команды Сантану Манна и Саймона Ковре да Силва привели к устройствам, лежащим в основе этих впечатляющих результатов. Теперь мы знаем, для чего хороши наши наноструктуры, и мы воодушевлены перспективой дальнейшей разработки их свойств вместе с нашими сотрудниками».

«Одна из самых захватывающих вещей в этом исследовании — приручить сложную квантовую систему: сто тысяч ядер сильно связаны с хорошо контролируемым электронным спином», — объясняет доктор философии Кавендиш. студент Леон Запорский — первый автор статьи.

«Большинство исследователей подходят к проблеме изоляции кубита от шума, удаляя все взаимодействия. Их кубиты становятся немного похожими на кошек Шредингера, которые находятся под действием седативных средств, что едва реагируют на то, что кто-то дергает их за хвост. Наш «кот» находится на сильных стимуляторах, которые… на практике — значит, мы можем получать от этого больше удовольствия».

«Квантовые точки теперь сочетают в себе высокую фотонную квантовую эффективность с длительным временем спиновой когерентности», — объясняет профессор Мете Ататюре, соавтор этой статьи. «В ближайшем будущем мы предполагаем, что эти устройства позволят создавать запутанные световые состояния для полностью фотонных квантовых вычислений и позволят проводить фундаментальные эксперименты по квантовому управлению ансамблем ядерных спинов».