Impresión artística de un espín de electrones en un punto cuántico, interactuando con la luz y espines nucleares estrechamente acoplados (visto a través de una lente). Crédito: Leon Zaporski – Universidad de Cambridge
Un grupo de investigadores ha descubierto métodos para aumentar el tiempo de almacenamiento de información cuántica en un material rico en espín.
Como parte del esfuerzo mundial para desarrollar redes cuánticas prácticas y computadoras cuánticas, un equipo internacional de científicos ha logrado un progreso significativo en la preservación de la coherencia cuántica de los qubits de espín de puntos cuánticos.
Una amplia gama de industrias y proyectos de investigación están preparados para experimentar una transformación como resultado de estas tecnologías. Afectarán todo, desde la transferencia segura de información hasta la búsqueda de nuevos materiales y productos químicos con propiedades únicas, así como la medición precisa de fenómenos físicos fundamentales que requieren sensores sincronizados.
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 material simple a 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 provocar la pérdida de información cuántica almacenada en el qubit de electrones. El descubrimiento del equipo de investigación, publicado en Nature Nanotechnology, es que en un dispositivo construido con materiales semiconductores que tienen el mismo parámetro de red, los núcleos «perciben» el mismo entorno y se comportan 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 los puntos cuánticos ópticamente activos, donde podemos desactivar la interacción con los núcleos y reorientar el giro del electrón repetidamente para mantener vivo su estado cuántico», dijo Claire Le Gall del Laboratorio Cavendish de Cambridge, quien dirigió el estudio. . proyecto. “Hemos demostrado cientos de microsegundos en nuestro trabajo, pero realmente, ahora que estamos en este régimen, sabemos que hay tiempos de coherencia mucho más largos al alcance. Para los espines en puntos cuánticos, los tiempos de coherencia cortos han sido el mayor obstáculo para las aplicaciones, y este descubrimiento ofrece una solución clara y simple para eso”.
Al explorar 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. En realidad, esta es una excelente posición 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’ capturado de los núcleos. No fue tan fluido como se anticipó originalmente, y hay espacio para más mejoras en la coherencia cuántica del sistema a través de más ingeniería de materiales.
“Cuando comenzamos a trabajar con el sistema de materiales compatibles con la red empleado en este trabajo, no era fácil obtener puntos cuánticos con propiedades bien definidas y buena calidad óptica”, dice Armando Rastelli, coautor de este artículo en la Universidad de Linz. “Es muy gratificante ver que una línea de investigación inicialmente motivada por la curiosidad sobre un sistema bastante ‘exótico’ y la perseverancia de los hábiles miembros del equipo Santanu Manna y Saimon Covre da Silva han conducido a los dispositivos que son la base de estos espectaculares resultados. Ahora sabemos para qué sirven nuestras nanoestructuras y estamos entusiasmados con la perspectiva de seguir desarrollando sus propiedades junto con nuestros colaboradores”.
«Una de las cosas más emocionantes de esta investigación es domesticar un sistema cuántico complejo: 100 000 núcleos que se acoplan estrechamente con un espín de electrones estrictamente controlado», explica Cavendish Ph.D. estudiante, Leon Zaporski – el primer autor del artículo. “La mayoría de los investigadores abordan el problema de aislar el qubit del ruido eliminando todas las interacciones. Sus qubits se vuelven un poco como los gatos de Schrödinger sedados, que apenas pueden reaccionar cuando alguien les tira de la cola. Nuestro ‘gato’ toma fuertes estimulantes, lo 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, imaginamos estos dispositivos para permitir la creación de estados de luz entrelazados para la computación cuántica totalmente fotónica y permitir experimentos de control cuántico fundamental del conjunto de espín nuclear».
Referencia: «Reenfoque ideal de un qubit de espín ópticamente activo bajo fuertes interacciones hiperfinas» por Leon Zaporski, Noah Shofer, Jonathan H. Bodey, Santanu Manna, George Gillard, Martin Hayhurst Appel, Christian Schimpf, Saimon Filipe Covre da Silva, John Jarman, Geoffroy Delamare, Gunhee Park, Urs Haeusler, Evgeny A. Chekhovich, Armando Rastelli, Dorian A. Gangloff, Mete Atatüre y Claire Le Gall, 26 de enero de 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-022-01282-2
