用于检测存储在100000个核量子位中的量子信息的光

研究人员发现了一种利用光和单个电子与量子位云通信并感知其行为的方法，从而有可能检测出密集云中的单个量子位。

来自剑桥大学的研究人员能够在100,000个核的“干草堆”中注入高度脆弱的量子信息的“针” 。研究人员可以使用激光控制电子，然后使用该电子来控制干草堆的行为，从而更容易找到针。他们能够以1.9百万分之一的精度检测“针”：足够高，可以检测到这个大型系统中的单个量子位。

该技术使得可以将高度脆弱的量子信息光学地发送到核系统进行存储，并以最小的干扰来验证其印记，这是基于量子光源的量子互联网发展的重要一步。结果发表在《自然物理学》杂志上。

即将出现的第一批量子计算机将利用亚原子粒子的奇怪行为，使其甚至远远超过最强大的超级计算机。但是，要充分利用它们的潜力，就需要一种将它们联网的方法：量子互联网。传输量子信息的光通道有望成为量子互联网的候选者，目前没有比半导体量子点更好的量子光源：本质上是人造原子的微小晶体。

但是，有一点阻碍了量子点和量子互联网：将量子信息临时存储在网络中的临时站点上的能力。

剑桥大学卡文迪许实验室的MeteAtatüre教授说：“解决这一问题的方法是，将脆弱的量子信息隐藏在每个量子点所包含的100,000个原子核的云中，就像大海捞针一样。” 。“但是，如果我们试图像与位通信一样与这些原子核通信，它们往往会随机地'翻转'，从而产生一个嘈杂的系统。”

量子点中包含的量子位云通常不会以集体状态起作用，这使得获取信息或从其中获取信息成为挑战。但是，Atatüre和他的同事在2019年表明，当还使用光将其冷却至超低温时，这些核可以被制成一致地进行``量子舞''，从而显着降低了系统中的噪声量。

现在，他们已经展示了朝着在原子核中存储和检索量子信息的又一个基本步骤。通过控制100,000个原子核的集体状态，他们能够以1.9百万分之一的超高精度检测作为“翻转量子位”的量子信息的存在：足以看到云中的单个位翻转原子核

“从技术上讲，这是非常苛刻的要求，”也是圣约翰学院院士的Atatüre说。“我们没有与云“对话”的方式，而云也没有与我们对话的方式。但是我们可以交流的是电子：我们可以像电子狗一样与之交流放牧绵羊。”

研究人员使用激光发出的光，可以与电子进行通讯，然后电子与核的自旋或固有角动量进行通讯。

通过与电子交谈，自旋的混沌合奏开始冷却并在周围的电子周围聚集。在这种更有序的状态之外，电子可以在原子核中产生自旋波。

阿塔图尔说：“如果我们想象旋转的云是一群100,000只绵羊随机移动，那么很难看到一只绵羊突然改变方向。” “但是，如果整个畜群都按照明确的波浪运动，那么单个绵羊的变化方向就变得非常引人注目。”

换句话说，将单个核自旋翻转构成的自旋波注入到系综中，可以更轻松地检测100,000个核自旋中的单个核自旋翻转。

使用这项技术，研究人员能够将信息发送到量子位，并以最小的干扰“倾听”自旋所讲的内容，直至量子力学设定的基本极限。

共同第一作者，第一作者丹尼尔·杰克逊(Daniel Jackson)说：“利用这种庞大的核群的控制和传感能力，我们的下一步将是展示核自旋寄存器中任意量子位的存储和检索。” 。卡文迪许实验室的学生。

“这一步将完成与光有关的量子存储器，这是实现量子互联网的主要组成部分，”第一作者，圣约翰学院研究员Dorian Gangloff说。

除了在未来量子互联网中的潜在用途外，该技术还可以用于固态量子计算的开发。