Binlerce Nükleer Spin, Kuantum Nokta Kubiti Oluşturmak İçin Birbirine Dolaştırıldı
Birleşik Krallık ve Avusturya'dan fizikçiler, nükleer spin durumlarından oluşan bir topluluğun yardımıyla bilgi depolayan yeni bir kuantum biti (qubit) geliştirdi. Cambridge Üniversitesi’nden Dorian Gangloff ve Mete Atatüre liderliğindeki ekip, gelecekteki bir kuantum iletişim ağı içinde bilgi depolayıp aktarabilecek kolektif bir kuantum durumu oluşturdu.
Kuantum İletişim Ağları ve Zorluklar
Kuantum iletişim ağları, uzaktaki kuantum bilgisayarlar ve diğer cihazlar arasında kuantum bilgisinin değişimini sağlar. Bu ağlar, dağıtılmış kuantum hesaplamayı mümkün kılmanın yanı sıra güvenli kuantum şifreleme desteği de sunar.
Günümüzde, kuantum iletişim ağları henüz erken geliştirme aşamasındadır ve bilgiyi iletmek için fotonların kuantum dolaşıklığını kullanmaktadır. Ancak, fotonlar uzun mesafeler kat ettikçe kuantum bilgileri bozulur (dekoherans), bu da ağ performansını ciddi şekilde sınırlar. Bu sorunu aşmak için, zayıflayan kuantum sinyallerini alıp güçlendiren "tekrarlayıcı düğümler" gereklidir.
Gangloff, "Bu sınırlamaları aşmak için, dolaşık durumları güvenilir bir şekilde depolayabilen kuantum bellekler geliştirmeye odaklanıyoruz. Çeşitli kuantum sistemleri incelenirken, yarı iletken kuantum noktaları hem foton parlaklığı hem de foton uyumluluğu açısından en iyi tekli foton kaynakları olarak öne çıkıyor," diye açıklıyor.
Tekli Foton Yayılımı
Kuantum noktaları, belirli dalga boylarında tekli fotonlar yayma yetenekleri nedeniyle geniş çapta kullanılmaktadır. Bu fotonlar, kuantum noktalarındaki elektronik geçişlerle oluşturulur ve kuantum bilgiyi kodlamak ve iletmek için idealdir.
Ancak, kuantum noktalarının elektronik spin durumları, kuantum bilgisini uzun süre boyunca depolamak için yeterince istikrarlı değildir. Bunun nedeni, kuantum noktalarının içinde bulunan yüzlerce veya binlerce nükleusun rastgele spin dalgalanmalarıdır. Bu dalgalanmalar, elektronik spin durumlarına dayalı qubitlerin dekoheransına yol açar.
Daha önceki araştırmalarında, Gangloff ve Atatüre’nin ekibi, bu gürültüyü nasıl kontrol edebileceklerini araştırmıştı. Atatüre, "Önceki çalışmalarımız üzerine inşa ederek, nükleer toplulukta rastgele dalgalanmaları kuantum geri besleme algoritmasıyla baskıladık. Bu, elektronik spin kubitlerin performansını önemli ölçüde iyileştiriyor," diyor.
Magnon Uyarımı ile Kararlı Kuantum Bellek
Ekip, şimdi galyum arsenit (GaAs) tabanlı bir kuantum nokta kullanarak 13.000 nükleer spin durumunu içeren kolektif, dolaşık bir "karanlık durum" oluşturdu. Karanlık durum, foton ememeyen veya yayamayan kararlı bir kuantum durumudur.
Araştırmacılar, tüm nükleer topluluğa yayılan tek bir nükleer magnon (spin çevirme) uyarımı ekleyerek, sistemi iki farklı kolektif kuantum durumu arasında değiştirebildi. Bu iki durum, ikili bir kuantum mantık sisteminde sırasıyla 0 ve 1 olarak tanımlanabilir.
Daha sonra ekip, kuantum bilgisinin nükleer sistem ile kuantum noktasının elektronik kubiti arasında yaklaşık %70 doğrulukla (fidelity) değiştirilebileceğini gösterdi.
Gangloff, "Kuantum bellek, saklanan durumu yaklaşık 130 mikrosaniye boyunca korudu ve protokolümüzün etkinliğini doğruladı. Ayrıca, mevcut doğruluk ve depolama süresini sınırlayan faktörleri açıkça belirledik. Bunlar arasında nükleer modlar arasındaki çapraz etkileşimler ve optik olarak tetiklenen spin gevşemesi yer alıyor," diyor.
Araştırmacılar, yaklaşımlarının kuantum nokta tabanlı iletişim ağlarının en büyük kısıtlamalarından birini avantaja dönüştürebileceğini düşünüyor.
Atatüre, "Birden fazla qubit içeren bir kayıt cihazını kuantum noktalarıyla entegre ederek, zaten ticari olarak mevcut olan en parlak tekli foton kaynaklarını çok daha ileri bir teknoloji seviyesine taşıyoruz," diye ekliyor.
Sistemin doğruluğu daha da geliştirildiğinde, kuantum nokta kubitleri ile ürettikleri fotonik durumlar arasındaki etkileşimleri güçlendirebileceği ve sonuç olarak kuantum iletişim ağlarında daha uzun süreli kuantum bütünlüğü sağlayabileceği öngörülüyor. Ayrıca, bu yöntem yeni kuantum fenomenlerini keşfetmek ve kuantum çok-cisim dinamikleri hakkında daha derin bilgiler edinmek için de kullanılabilir.
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02746-z
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder