Наноразмерные зеркальные резонаторы усиливают, соединяют квантовую память

Важно отметить, что команда продемонстрировала время спиновой когерентности (как долго длится память, закодированная в состоянии электронного спина) более 200 микросекунд — долгое время в контексте скорости, с которой происходят вычислительные операции. Большое время когерентности необходимо для систем квантовых вычислений и криптографических сетей дальнего действия.«Наше исследование демонстрирует метод увеличения времени хранения квантовой памяти в твердых телах, которые эффективно связаны с фотонами, что необходимо для увеличения масштабов такой квантовой памяти для функциональных систем и сетей квантовых вычислений», — сказал Дирк Энглунд из Массачусетского технологического института, руководивший исследованием. , теперь опубликовано в Nature Communications.

Ученые из Центра функциональных наноматериалов (DOE Office of Science User Facility) в лаборатории Брукхейвена помогли изготовить и охарактеризовать материалы.Примеси в алмазеЭлементами памяти, описанными в данном исследовании, являются спиновые состояния электронов в азотно-вакансионных (NV) центрах в алмазе. NV состоит из атома азота вместо атома углерода, примыкающего к кристаллической вакансии внутри углеродной решетки алмаза.

Ориентация электронных спинов на этих NV-центрах вверх или вниз может использоваться для кодирования информации способом, который в некоторой степени аналогичен тому, как заряд многих электронов используется для кодирования «0» и «1» в классическом компьютер.Ученые предпочитают ориентировать спин NV, направление которого естественно случайно ориентировано, вдоль определенного направления. Этот шаг подготавливает квантовое состояние «0».

Оттуда ученые могут манипулировать электронным спином до «1» или обратно до «0» с помощью микроволн. Состояние «0» имеет более яркую флуоресценцию, чем состояние «1», что позволяет ученым измерять состояние в оптическом микроскопе.Хитрость заключается в том, чтобы заставить электронные спины в NV-центрах удерживать стабильные спиновые состояния достаточно долго для выполнения этих операций с логическим вентилем и иметь возможность передавать информацию между отдельными элементами памяти для создания реальных вычислительных сетей.

«Уже можно передавать информацию о состоянии спина электрона через фотоны, но мы должны сделать интерфейс между фотонами и электронами более эффективным. Проблема в том, что фотоны и электроны обычно очень слабо взаимодействуют. Чтобы увеличить взаимодействие между фотонами и NV, мы строим оптический резонатор — ловушку для фотонов вокруг NV », — сказал Инглунд.

Свет и зеркалаЭти полости, созданные в Брукхейвене аспирантом Массачусетского технологического института Луочжоу Ли с помощью штатного сотрудника Минг Лу из CFN, состоят из слоев алмаза и воздуха, плотно расположенных вокруг примесного атома NV-центра.

На каждой границе между слоями есть немного отражений, подобных отражениям от стеклянной поверхности. На каждом слое отражения складываются, как отражения в доме с зеркалами. Фотоны, попадающие в эти наноразмерные погребальные дома, отражаются взад и вперед до 10 000 раз, что значительно увеличивает их шансы на взаимодействие с электронами в центре NV. Это увеличивает эффективность передачи информации между фотонами и электронным спиновым состоянием NV-центра.

Работа устройств была частично охарактеризована с помощью оптической микроскопии в магнитном поле в CFN, проведенной штатным научным сотрудником CFN Мирчей Котлет, Луочжоу Ли и Эдвардом Ченом, который также является аспирантом, обучающимся под руководством Энглунда в Массачусетском технологическом институте.«Соединение NV-центров с этими полостями оптического резонатора, похоже, сохранило время NV спиновой когерентности — продолжительность памяти», — сказал Котлет.Инглунд добавил: «Эти методы дали нам отличную отправную точку для перевода информации между спиновыми состояниями электронов между несколькими NV-центрами.

Эти результаты являются важной частью подтверждения научных перспектив систем NV-резонаторов для квантовых сетей».Кроме того, сказал Ли: «Техника литографии с жесткой маской с переносом, которую мы разработали в этой работе, принесет пользу большинству нетрадиционных подложек, которые не подходят для типичного формирования рисунка с высоким разрешением с помощью электронно-лучевой литографии.

В нашем случае мы преодолели проблему, которая заключалась в том, что Алмазные мембраны толщиной в сто нанометров слишком малы и слишком неровны ».Эти методы также могут обеспечивать передачу квантово-кодированной информации на большие расстояния по оптоволоконным кабелям.

Инглунд сказал, что такую ​​информацию можно сделать полностью защищенной, потому что любая попытка перехватить или измерить переданную информацию изменит свойства фотонов, тем самым предупредив отправителя и получателя о возможном присутствии перехватчика.Изготовление и эксперименты были частично поддержаны Управлением научных исследований ВВС США.

CFN в Brookhaven Lab поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Дополнительное финансирование для отдельных исследователей поступило от Фонда Александра фон Гумбольдта, Отделения научных исследований космических технологий главного технолога НАСА и Национального научного фонда.