Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
Dit artikel demonstreert de controleerbare overdracht van energie tussen twee verre elektronenspin-qubits via een supergeleidende caviteit door het manipuleren van meerdere vacuüm-Rabi-oscillaties, waarmee een fundamentele bouwsteen wordt gevestigd voor de interface tussen halfgeleider-spinqubits en fotonische verbindingen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je het universum voor als een gigantische, onzichtbare dansvloer waar energie de muziek is. In de wereld van de kwantumfysica vindt de meest opwindende dans plaats wanneer twee zeer verschillende partners elkaar ontmoeten: een "spin", die lijkt op een klein, draaiend magneetje binnen een atoom, en een "foton", wat een enkel pakketje licht is. Meestal praten deze twee niet veel met elkaar. Maar als je het licht in een speciale doos (een caviteit) vangt en de spin en het licht op exact dezelfde snelheid laat trillen, kunnen ze een perfect, ritmisch uitwisseling beginnen. Ze wisselen energie met elkaar uit, zoals twee kinderen op een schommel die elkaar steeds hoger door duwen. Dit wordt een "Vacuum Rabi-oscillatie" genoemd. Wetenschappers geven hierom omdat het de ultieme handdruk is tussen materie en licht. Als we deze dans kunnen beheersen, zouden we een "kwantuminternet" kunnen bouwen waarbij informatie tussen computers vliegt als licht, waardoor kleine processors die ver uit elkaar staan worden verbonden, net zoals het versturen van een brief via de post maar dan met de snelheid van het licht.
In dit nieuwe onderzoek besloten onderzoekers van de Vrije Universiteit Delft en QuTech te kijken of ze deze dans konden laten plaatsvinden tussen twee verre partners met behulp van een zeer specifieke opstelling. Ze bouwden een minuscuul apparaatje gemaakt van silicium en supergeleidend metaal, met twee "dubbele kwantumdots" (wat in essentie kleine kooien zijn die enkele elektronen vasthouden) geplaatst op 250 micrometer afstand van elkaar—ongeveer de breedte van een menselijk haar. Deze kooien zijn verbonden door een supergeleidende draad die fungeert als een snelweg voor microgolffotonen. Het doel van het team was om te zien of ze een enkele eenheid energie van één elektron-spin konden nemen, deze konden omzetten in een foton, het foton langs de draad konden sturen, en vervolgens konden laten gebeuren dat het tweede elektron het opvangt en de energie weer omzet in energie.
De onderzoekers ontdekten dat ze dit inderdaad konden laten gebeuren. Door zorgvuldig getimede spanningspulsen te gebruiken, waren ze in staat om het systeem aan en uit te schakelen, waardoor het eerste elektron met de microgolfcaviteit kon "dansen". Ze zagen de energie meerdere keren heen en weer wisselen, wat bevestigde dat de spin en het foton nauw gekoppeld waren. De dans was zo sterk dat ze deze precies halverwege konden stoppen, waardoor de energie effectief als een enkel foton in de caviteit werd gevangen. Daarna lieten ze het tweede elektron aan de dans deelnemen. Precies zoals voorspeld, ving het tweede elektron het foton op en absorbeerde de energie, waarmee de overdracht van de ene verre spin naar de andere werd voltooid.
Om te bewijzen dat de energie echt een enkel foton was en niet gewoon een wazige wolk van energie, voerde het team een slimme truc uit. Ze begonnen met twee aangeslagen elektronen en wisselden er één naar de caviteit, waardoor de caviteit precies één foton bevatte. Wanneer ze het tweede elektron met deze "volle" caviteit lieten dansen, versnelde het ritme van de uitwisseling. Deze versnelling is een bekende handtekening van de aanwezigheid van een enkel foton, wat bevestigt dat ze succesvol een "Fock-toestand" hadden gecreëerd—een toestand met een precies aantal deeltjes. Het team mat deze versnelling en berekende dat de caviteit tijdens deze tests gemiddeld ongeveer 0,65 tot 0,69 fotonen bevatte, wat dicht bij het ideale enkele foton ligt, hoewel niet perfect is.
Het artikel merkt ook op dat hoewel de dans succesvol was, deze niet perfect vloeiend verliep. De elektronen verloren hun ritme iets sneller dan wetenschappers gewoonlijk zien in siliciumchips, waarschijnlijk door onzichtbare elektrische ruis op de achtergrond. Echter, het feit dat ze meerdere rondes van de oscillatie konden waarnemen ondanks deze ruis, is een belangrijke stap voorwaarts. De onderzoekers suggereren dat met schonere materialen en betere engineering in toekomstige apparaten, deze methode een betrouwbare manier kan worden om kwantumcomputers aan elkaar te koppelen, waardoor deze kleine siliciumspins de knooppunten worden van een massaal, lichtsnel netwerk.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.