Дослідники з Університету Рочестера і Корнельського університету зробили важливий крок до розвитку мережі зв'язку, яка обмінюється інформацією на великі відстані за допомогою фотонів, безмасових квантів світла, які є ключовими елементами квантових обчислень і систем квантового зв'язку.
Дослідницька група розробила нанорозмірний вузол з магнітних і напівпровідникових матеріалів, який може взаємодіяти з іншими вузлами, використовуючи лазерне світло для випромінювання і прийому фотонів.
Розробка такої квантової мережі, призначеної для використання фізичних властивостей світла і матерії, що характеризуються квантовою механікою, обіцяє більш швидкі та ефективні способи зв'язку, обчислень і виявлення об'єктів і матеріалів порівняно з мережами, які в даний час використовуються для обчислень і комунікації.
Описаний у журналі Nature Communications вузол складається з масиву стовпчиків (опор) висотою всього 120 нанометрів. Стовпи є частиною платформи, що містить атомарно тонкі шари напівпровідників і магнітних матеріалів.
Масив спроектовано так, що кожен стовп служить маркером місця розташування для квантового стану, який може взаємодіяти з фотонами, а пов'язані фотони можуть потенційно взаємодіяти з іншими розташуваннями на пристрої - і з аналогічними масивами в інших місцях.
Цей потенціал для з'єднання квантових вузлів через віддалену мережу заснований на концепції заплутаності, феномену квантової механіки, який на самому базовому рівні описує, як властивості частинок пов'язані на субатомному рівні.
«Це початок створення свого роду регістру, якщо хочете, де різні просторові точки можуть зберігати інформацію і взаємодіяти з фотонами», - говорить Нік Вамівакас, професор квантової фізики в Рочестері.
Цей проект заснований на роботі, виконаній його лабораторією в останні роки з використанням диселеніда вольфрама (WSe2) в так званих гетероструктурах Ван-дер-Ваальса. У цій роботі використовуються шари атомно тонких матеріалів один на одного для створення або захоплення одиночних фотонів.
У новому пристрої використовується нове розташування WSe2, нанесеного на опори, з нижчим високореактивним шаром трийодиду хрому (CrI3). Там, де стикаються атомно тонкі шари з площею 12 мікрон, CrI3 передає електричний заряд WSe2, створюючи «дірку» поруч з кожною з опор.
У квантовій фізиці діра характеризується відсутністю електрону. Кожна позитивно заряджена діра також має подвійну магнітну властивість північ/південь, пов'язану з нею, так що кожна з них також є наномагнітом.
Коли пристрій освітлюється лазерним світлом, відбуваються подальші реакції, що перетворюють наномагнетики в окремі оптично активні спинові масиви, які випромінюють і взаємодіють з фотонами. У той час як класична обробка інформації має справу з бітами, значення яких дорівнює нулю або одиниці, спинові стани можуть кодувати як нуль, так і одиницю одночасно, розширюючи можливості обробки інформації.
«Можливість контролювати орієнтацію обертання отвору за допомогою ультратонкого CrI3 усуває необхідність у використанні зовнішніх магнітних полів гігантських магнітних котушок, подібних тим, які використовуються в системах МРТ», - кажуть дослідники. «Це матиме велике значення для мініатюризації квантового комп'ютера на основі спинів окремих дірок».
