Un equipo internacional de científicos ha demostrado un gran avance en la preservación de la coherencia cuántica de los qubits de espín de puntos cuánticos como parte del impulso global para redes cuánticas prácticas y computadoras cuánticas.
Estas tecnologías serán transformadoras para una amplia gama de industrias y esfuerzos de investigación: desde la seguridad de la transferencia de información, pasando por la búsqueda de materiales y productos químicos con propiedades novedosas, hasta mediciones de fenómenos físicos fundamentales que requieren una sincronización de tiempo precisa entre los sensores.
Las interfaces de espín-fotón son bloques de construcción elementales para redes cuánticas que permiten convertir información cuántica estacionaria (como el estado cuántico de un ion o un qubit de espín de estado sólido) en luz, es decir, fotones, que pueden distribuirse a grandes distancias. Un gran desafío es encontrar una interfaz que sea buena para almacenar información cuántica y eficiente para convertirla en luz. Los puntos cuánticos de semiconductores ópticamente activos son la interfaz espín-fotón más eficiente conocida hasta la fecha, pero extender su tiempo de almacenamiento más allá de unos pocos microsegundos ha desconcertado a los físicos a pesar de los esfuerzos de investigación de una década. Ahora, investigadores de la Universidad de Cambridge, la Universidad de Linz y la Universidad de Sheffield han demostrado que existe una solución de material simple para este problema que mejora el almacenamiento de información cuántica más allá de los cien microsegundos.
Los puntos cuánticos son estructuras cristalinas formadas por muchos miles de átomos. Cada uno de los núcleos de estos átomos tiene un momento dipolar magnético que se acopla al electrón del punto cuántico y puede causar la pérdida de información cuántica almacenada en el qubit de electrones. El hallazgo del equipo de investigación, publicado en Naturaleza Nanotecnología, es que en un dispositivo construido con materiales semiconductores que tienen el mismo parámetro de red, los núcleos ‘sintieron’ el mismo entorno y se comportaron al unísono. Como resultado, ahora es posible filtrar este ruido nuclear y lograr una mejora de casi dos órdenes de magnitud en el tiempo de almacenamiento.
«Este es un régimen completamente nuevo para puntos cuánticos ópticamente activos en el que podemos desactivar la interacción con los núcleos y reenfocar el giro del electrón una y otra vez para mantener vivo su estado cuántico», dijo Claire Le Gall del Laboratorio Cavendish de Cambridge, quien dirigió el estudio. proyecto. «Demostramos cientos de microsegundos en nuestro trabajo, pero en realidad, ahora que estamos en este régimen, sabemos que hay tiempos de coherencia mucho más largos al alcance. Para los giros en los puntos cuánticos, los tiempos de coherencia cortos fueron el mayor obstáculo para las aplicaciones, y este hallazgo ofrece una solución clara y simple a eso».
Mientras exploraban las escalas de tiempo de cien microsegundos por primera vez, los investigadores se sorprendieron gratamente al descubrir que el electrón solo ve el ruido de los núcleos en lugar de, por ejemplo, el ruido eléctrico en el dispositivo. Esta es realmente una excelente posición para estar porque el conjunto nuclear es un sistema cuántico aislado, y el electrón coherente será una puerta de entrada a los fenómenos cuánticos en un gran conjunto de espín nuclear.
Otra cosa que sorprendió a los investigadores fue el ‘sonido’ que se recogió de los núcleos. No fue tan armonioso como se anticipó inicialmente, y hay espacio para una mayor mejora en la coherencia cuántica del sistema a través de una mayor ingeniería de materiales.
«Cuando comenzamos a trabajar con el sistema de materiales emparejados en celosía empleado en este trabajo, obtener puntos cuánticos con propiedades bien definidas y buena calidad óptica no fue fácil», dice Armando Rastelli, coautor de este artículo en la Universidad de Linz. «Es muy gratificante ver que una línea de investigación inicialmente impulsada por la curiosidad sobre un sistema bastante ‘exótico’ y la perseverancia de los hábiles miembros del equipo Santanu Manna y Saimon Covre da Silva condujeron a los dispositivos en la base de estos resultados espectaculares. Ahora sabemos para qué sirven nuestras nanoestructuras, y estamos encantados con la perspectiva de seguir diseñando sus propiedades junto con nuestros colaboradores».
«Una de las cosas más emocionantes de esta investigación es domesticar un sistema cuántico complejo: cien mil núcleos que se acoplan fuertemente a un espín de electrones bien controlado», explica el estudiante de doctorado de Cavendish, Leon Zaporski, el primer autor del artículo. «La mayoría de los investigadores abordan el problema de aislar los cúbits del ruido eliminando todas las interacciones. Sus cúbits se vuelven un poco como los gatos de Schrödinger sedados, que apenas pueden reaccionar cuando alguien les tira de la cola. Nuestro ‘gato’ toma estimulantes fuertes, que… – en la práctica – significa que podemos divertirnos más con él».
«Los puntos cuánticos ahora combinan una alta eficiencia cuántica fotónica con largos tiempos de coherencia de espín», explica el profesor Mete Atatüre, coautor de este artículo. «En un futuro cercano, prevemos que estos dispositivos permitan la creación de estados de luz entrelazados para la computación cuántica totalmente fotónica y permitan experimentos de control cuántico fundamentales del conjunto de espín nuclear».
