Chuỗi các nguyên tử lại với nhau bằng cách sử dụng vòng quay hạt nhân tạo ra khả năng lưu trữ lượng tử

Kỹ thuật mới có thể làm cho mạng lượng tử trở nên khả thi.

Các kỹ sư tại Caltech đã phát triển một cách tiếp cận để lưu trữ lượng tử có thể giúp mở đường cho sự phát triển của các mạng lượng tử quang học quy mô lớn.

Hệ thống mới dựa trên spin hạt nhân – mômen động lượng của hạt nhân nguyên tử – dao động chung là sóng spin. Dao động tập hợp này liên kết hiệu quả một số nguyên tử để lưu trữ thông tin.

Công trình được mô tả trong một bài báo xuất bản ngày 16 tháng 2 năm 2022 trên tạp chí Nature , sử dụng một bit lượng tử (hoặc qubit) được tạo ra từ ion ytterbium (Yb), một nguyên tố đất hiếm cũng được sử dụng trong laser. Nhóm nghiên cứu, do Andrei Faraon (BS ’04), giáo sư vật lý ứng dụng và kỹ thuật điện, đã nhúng ion vào một tinh thể trong suốt của yttrium orthovanadate (YVO4) và điều khiển các trạng thái lượng tử của nó thông qua sự kết hợp của trường quang học và vi sóng. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng qubit Yb để điều khiển trạng thái spin hạt nhân của nhiều nguyên tử vanadi xung quanh trong tinh thể.

“Dựa trên nghiên cứu trước đây của chúng tôi, các ion ytterbium đơn lẻ được biết đến là ứng cử viên xuất sắc cho mạng lượng tử quang học, nhưng chúng tôi cần liên kết chúng với các nguyên tử bổ sung. Chúng tôi chứng minh điều đó trong công trình nghiên cứu này, ”Faraon, đồng tác giả của tờ Nature cho biết.

Thiết bị này được chế tạo tại Viện Khoa học nano Kavli ở Caltech, và sau đó được thử nghiệm ở nhiệt độ rất thấp trong phòng thí nghiệm của Faraon.

Một kỹ thuật mới để sử dụng các spin hạt nhân vướng víu như một bộ nhớ lượng tử được lấy cảm hứng từ các phương pháp được sử dụng trong cộng hưởng từ hạt nhân (NMR).

Joonhee Choi, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Caltech và là đồng tác giả của bài báo cho biết: “Để lưu trữ thông tin lượng tử trong spin hạt nhân, chúng tôi đã phát triển các kỹ thuật mới tương tự như các kỹ thuật được sử dụng trong máy NMR được sử dụng trong bệnh viện. “Thách thức chính là điều chỉnh các kỹ thuật hiện có để hoạt động trong điều kiện không có từ trường”.

Một tính năng độc đáo của hệ thống này là vị trí được xác định trước của các nguyên tử vanadi xung quanh qubit ytterbium theo quy định của mạng tinh thể. Mỗi qubit mà nhóm đo được đều có một thanh ghi bộ nhớ giống hệt nhau, có nghĩa là nó sẽ lưu trữ cùng một thông tin.

Nghiên cứu sinh Andrei Ruskuc, tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Khả năng xây dựng một công nghệ có thể tái sản xuất và đáng tin cậy là chìa khóa thành công của nó. “Trong bối cảnh khoa học, điều này cho phép chúng ta có được cái nhìn sâu sắc chưa từng thấy về các tương tác vi mô giữa qubit ytterbium và các nguyên tử vanadi trong môi trường của chúng.”

Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn của phòng thí nghiệm của Faraon nhằm tạo nền tảng cho các mạng lượng tử trong tương lai.

Mạng lượng tử sẽ kết nối các máy tính lượng tử thông qua một hệ thống hoạt động ở mức lượng tử, chứ không phải kiểu cổ điển,. Về lý thuyết, một ngày nào đó máy tính lượng tử có thể thực hiện một số chức năng nhanh hơn máy tính cổ điển bằng cách tận dụng các tính chất đặc biệt của cơ học lượng tử, bao gồm cả sự chồng chất, cho phép các bit lượng tử lưu trữ đồng thời thông tin dưới dạng 1 và 0.

Như họ có thể làm với các máy tính cổ điển, các kỹ sư muốn có thể kết nối nhiều máy tính lượng tử để chia sẻ dữ liệu và làm việc cùng nhau — tạo ra một “internet lượng tử”. Điều này sẽ mở ra cánh cửa cho một số ứng dụng, bao gồm khả năng giải quyết các phép tính quá lớn để được xử lý bởi một máy tính lượng tử, cũng như thiết lập các giao tiếp an toàn không thể phá vỡ bằng cách sử dụng mật mã lượng tử.

Tham khảo: “Đăng ký lượng tử sóng spin hạt nhân cho qubit trạng thái rắn” của Andrei Ruskuc, Chun-Ju Wu, Jake Rochman, Joonhee Choi và Andrei Faraon, 16 tháng 2 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-04293-6

Bài báo có tiêu đề “Đăng ký lượng tử sóng spin hạt nhân cho qubit trạng thái rắn.” Đồng tác giả bao gồm các nghiên cứu sinh Chun-Ju Wu và Jake Rochman (MS ’19). Nghiên cứu này được tài trợ bởi Viện Thông tin Lượng tử và Vật chất (IQIM), Trung tâm Biên giới Vật lý của Quỹ Khoa học Quốc gia, với sự hỗ trợ từ Quỹ Gordon và Betty Moore, Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân, Northrop Grumman , General Atomics, và Weston Havens Foundation.

Theo Scitechdaily