可调谐的钻石弦可能是量子记忆的关键

量子互联网承诺完全安全的通信。但是使用量子比特或量子比特来传输信息需要一个全新的硬件 - 量子存储器。这种原子级设备需要存储量子信息并将其转换为光以通过网络传输。

对这一愿景的一个主要挑战是量子比特对环境非常敏感,即使附近原子的振动也会破坏它们记忆信息的能力。到目前为止,研究人员依靠极低的温度来平静振动,但实现大规模量子网络的温度却非常昂贵。

现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和剑桥大学的研究人员开发了一种量子记忆解决方案,就像调整吉他一样简单。

研究人员设计了可以调整的钻石弦,以调整量子比特的环境并将内存从几十纳秒提高到几百纳秒,足以在量子芯片上进行许多操作。

“钻石中的杂质已成为量子网络的有希望的节点,”SEAS的Tiantsai Lin电气工程教授,该研究的高级作者Marko Loncar说。“然而,它们并不完美。有些杂质真的很擅长保留信息,但很难沟通,而其他杂质则是很好的沟通者,但遭受记忆丧失。在这项工作中,我们采用了后者并改善了记忆力十倍。“

该研究发表在Nature Communications上。

钻石中的杂质,称为硅空位色心,是强大的量子比特。捕获在中心的电子充当存储位并且可以发射单个红光光子,其反过来又充当量子互联网的长距离信息载体。但随着钻石晶体中的附近原子随机振动,中心的电子很快就会忘记要求记住的任何量子信息。

“作为一个色彩中心的电子就像试图在喧闹的市场上学习,”SEAS的研究生,该论文的共同第一作者Srujan Meesala说。“你周围都有这些噪音。如果你想记住任何事情,你需要要求群众保持安静,或者找到一种方法来专注于噪音。我们做了后者。”

为了改善嘈杂环境中的记忆,研究人员将镶嵌色心的钻石晶体雕刻成一根细线,大约一微米宽 - 比一缕头发薄一百倍 - 并在两侧连接电极。通过施加电压,钻石弦伸展并增加电子对其敏感的振动频率,就像收紧吉他弦增加弦的频率或音高一样。

“通过在弦中产生张力,我们增加了电子对其敏感的振动的能量范围,这意味着它现在只能感受到非常高的能量振动,”Meesala说。“这个过程有效地将晶体周围的振动转变为无关的背景嗡嗡声,使空位内的电子能够舒适地保持数百纳秒的信息,这在量子尺度上可能是非常长的时间。这些可调谐钻石的交响乐字符串可以作为未来量子互联网的支柱。“

接下来,研究人员希望将量子比特的存储器扩展到毫秒级,从而实现数十万次操作和长距离量子通信。

哈佛技术开发办公室保护了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。