La lumière utilisée pour détecter les informations quantiques stockées dans 100000 bits quantiques nucléaires –

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  • Les chercheurs ont trouvé un moyen d’utiliser la lumière et un seul électron pour communiquer avec un nuage de bits quantiques et détecter leur comportement, ce qui permet de détecter un seul bit quantique dans un nuage dense.

    Les chercheurs, de l’Université de Cambridge, ont pu injecter une «aiguille» d’informations quantiques extrêmement fragiles dans une «botte de foin» de 100 000 noyaux. En utilisant des lasers pour contrôler un électron, les chercheurs pourraient ensuite utiliser cet électron pour contrôler le comportement de la botte de foin, facilitant ainsi la recherche de l’aiguille. Ils ont pu détecter «l’aiguille» avec une précision de 1,9 partie par million: suffisamment élevée pour détecter un seul bit quantique dans ce grand ensemble.

    La technique permet d’envoyer optiquement des informations quantiques très fragiles à un système nucléaire pour stockage, et de vérifier son empreinte avec une perturbation minimale, une étape importante dans le développement d’un Internet quantique basé sur des sources de lumière quantique. Les résultats sont rapportés dans le journal Physique de la nature.

    Les premiers ordinateurs quantiques – qui exploiteront le comportement étrange des particules subatomiques pour surpasser de loin les supercalculateurs les plus puissants – sont à l’horizon. Cependant, tirer parti de leur plein potentiel nécessitera un moyen de les mettre en réseau: un Internet quantique. Les canaux de lumière qui transmettent des informations quantiques sont des candidats prometteurs pour un Internet quantique, et actuellement il n’y a pas de meilleure source de lumière quantique que le point quantique à semi-conducteur: de minuscules cristaux qui sont essentiellement des atomes artificiels.

    Cependant, une chose s’oppose aux points quantiques et à un Internet quantique: la possibilité de stocker temporairement des informations quantiques sur des postes de transit le long du réseau.

    «La solution à ce problème est de stocker les informations quantiques fragiles en les cachant dans le nuage de 100 000 noyaux atomiques que contient chaque point quantique, comme une aiguille dans une botte de foin», a déclaré le professeur Mete Atatüre du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé la recherche. . “Mais si nous essayons de communiquer avec ces noyaux comme nous communiquons avec des bits, ils ont tendance à” retourner “au hasard, créant un système bruyant.”

    Le nuage de bits quantiques contenu dans un point quantique n’agit normalement pas dans un état collectif, ce qui rend difficile d’obtenir des informations à l’intérieur ou à l’extérieur de ceux-ci. Cependant, Atatüre et ses collègues ont montré en 2019 que lorsqu’ils sont refroidis à des températures ultra-basses en utilisant également la lumière, ces noyaux peuvent être amenés à faire des “ danses quantiques ” à l’unisson, réduisant considérablement la quantité de bruit dans le système.

    Maintenant, ils ont montré une autre étape fondamentale vers le stockage et la récupération d’informations quantiques dans les noyaux. En contrôlant l’état collectif des 100000 noyaux, ils ont pu détecter l’existence de l’information quantique sous forme de “ bit quantique retourné ” avec une précision ultra-haute de 1,9 partie par million: assez pour voir un seul bit basculer dans le nuage. de noyaux.

    “Techniquement, c’est extrêmement exigeant”, a déclaré Atatüre, qui est également membre du St John’s College. «Nous n’avons pas de moyen de ‘parler’ au cloud et le cloud n’a pas de moyen de nous parler. Mais ce à quoi nous pouvons parler, c’est un électron: nous pouvons communiquer avec lui un peu comme un chien qui troupeaux de moutons. “

    En utilisant la lumière d’un laser, les chercheurs sont capables de communiquer avec un électron, qui communique ensuite avec les spins, ou moment angulaire inhérent, des noyaux.

    En parlant à l’électron, l’ensemble chaotique de spins commence à se refroidir et à se rallier autour de l’électron berger; hors de cet état plus ordonné, l’électron peut créer des ondes de spin dans les noyaux.

    «Si nous imaginons notre nuage de rotations comme un troupeau de 100 000 moutons se déplaçant au hasard, un mouton change soudainement de direction est difficile à voir», a déclaré Atatüre. “Mais si tout le troupeau se déplace comme une vague bien définie, alors un seul mouton changeant de direction devient très visible.”

    En d’autres termes, l’injection d’une onde de spin constituée d’un seul spin nucléaire dans l’ensemble permet de détecter plus facilement un seul spin nucléaire parmi 100 000 spins nucléaires.

    En utilisant cette technique, les chercheurs sont capables d’envoyer des informations au bit quantique et d’écouter ce que les spins disent avec une perturbation minimale, jusqu’à la limite fondamentale fixée par la mécanique quantique.

    “Ayant exploité cette capacité de contrôle et de détection sur ce grand ensemble de noyaux, notre prochaine étape sera de démontrer le stockage et la récupération d’un bit quantique arbitraire à partir du registre de spin nucléaire”, a déclaré le co-premier auteur Daniel Jackson, étudiant au doctorat à le laboratoire Cavendish.

    “Cette étape permettra d’achever une mémoire quantique connectée à la lumière – un élément majeur sur la voie de la réalisation de l’Internet quantique”, a déclaré le co-premier auteur Dorian Gangloff, chercheur au St John’s College.

    Outre son utilisation potentielle pour un futur Internet quantique, la technique pourrait également être utile dans le développement de l’informatique quantique à semi-conducteurs.

    La recherche a été soutenue en partie par le Conseil européen de la recherche (ERC), le Conseil de la recherche en ingénierie et sciences physiques (EPSRC) et la Royal Society.

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