在量子技术领域的一项重要突破中，剑桥大学卡文迪什实验室的研究人员成功开发了一种利用半导体量子点内原子的功能性量子寄存器。
这些发现发表在自然物理学上，揭示了一种新型光连接量子位的创造。这是建立量子网络的一步重要进展，其中可靠、可扩展和适应性强的量子节点至关重要。
量子点是由于量子力学现象而表现出独特光学和电子特性的微小实体。这些系统已经在显示技术和医学成像等领域找到了应用。它们在量子通信中的潜力主要源于它们作为明亮单光子源的能力。然而，构建有效的量子网络不仅需要单光子发射，还需要能够与光子相互作用并局部存储量子信息的稳定量子位。最新研究利用构成量子点的原子的固有自旋，创建了一个能够长期保存信息的功能性多体量子寄存器。
多体系统由一组相互作用的粒子组成——在这个案例中是量子点内的核自旋——这些粒子的集体行为可以产生在单独组件中没有的新特性。通过利用这些集体状态，研究人员成功地开发了一个韧性强且可扩展的量子寄存器。
剑桥团队与林茨大学的同事密切合作，能够将13,000个核自旋排列成一种称为“暗态”的集体纠缠配置。该暗态最小化了与周围环境的相互作用，从而带来卓越的相干性和稳定性，因而作为量子寄存器的逻辑“零”态。他们还定义了一个互补的“ واحد”态，由一个单核自旋激发的核磁波动表示，描绘了一个核自旋翻转并通过核集合移动的相干波浪扰动。结合这些配置使得高保真度的量子信息写入、存储、检索和读取成为可能，如完整操作周期所示，其存储保真度接近69%，相干性持续超过130微秒。这标志着量子点作为可扩展量子节点的显著进步。
“这一成就展示了多体物理如何革新量子设备，”卡文迪什实验室的共同首席作者、物理学教授梅特·阿塔图尔表示。“通过解决长期存在的限制，我们展示了量子点如何作为多量子位节点运作，为量子网络开辟了应用于通信和分布式计算的途径。当我们接近2025年国际量子年时，这项工作突显出卡文迪什实验室在实现量子技术潜力方面所取得的创新进展。”
这项研究体现了半导体物理、量子光学和量子信息理论的卓越融合。该团队采用复杂的控制方法来极化砷化镓（GaAs）量子点中的核自旋，从而创造了一个低噪声环境，有利于强健的量子操作。
“利用量子反馈技术以及GaAs量子点的显著均匀性，我们解决了与无法控制的核磁相互作用相关的持久挑战，”共同首席作者、量子技术副教授多里安·甘格洛夫详细指出。“这一成就不仅将量子点定位为功能性量子节点，还揭示了一个强大的平台，以深入探索新的多体物理和新兴量子现象。”
展望未来，剑桥团队计划通过增强控制技术，将其量子寄存器的信息存储时间延长至数十毫秒。这些进展将使量子点适合用作量子中继器中的中间量子存储器——连接远程量子计算机的关键元素。这一雄心勃勃的计划是他们新的QuantERA资助项目MEEDGARD的核心，旨在与林茨和其他欧洲伙伴合作，通过利用量子点推动量子存储技术的进展。他们的持续研究得到了EPSRC、欧盟、美国海军研究办公室和皇家学会的支持。
