Combined quantum transducer and memory on a hybrid solid-state platform

在混合固态平台上结合量子传感器和存储器

基本信息

  • 批准号:
    569168-2021
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.64万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Alliance Grants
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Quantum bits (Qubits) based on superconducting microwave circuit have emerged as the leading platform for quantum processors. However, they lack key properties that are essential for future advanced applications of quantum computers. For example, their relatively short coherence time prevents long time storage of the qubits and their operation in the microwave regime makes it impossible to transmit their qubits over any distance outside their 10 mK cryogenic environment. A natural approach is to implement a hybrid platform on which the superconducting qubits are complemented by another platform, which does allow long term storage of microwave qubits and the conversion/transduction into optical wavelength qubits. We propose a rare-earth-ion doped solid-state platform to simultaneously enable both features. More precisely, ytterbium-doped yttrium-orthosilicate (Yb:YSO) has unique features, which guarantee long coherence times for storage and spin-transitions at frequencies compatible with microwave qubits for transduction. Crucially, these properties exist under conditions, such as zero magnetic field, compatible with the superconducting qubits. Our project aims to develop and mature this hybridized platform of superconducting qubits and the novel Yb based solid-state material. The project will demonstrate quantum memory for both optical and microwave photons in an Yb:YSO crystal and explore the requirements for quantum wavelength transduction along with proof-of-principle experiments. A further goal is to integrate our platform with quantum light sources based on quantum-dot emitters with wavelength matching the Yb optical transition. These steps would lead to a fully integrated photonics device for interfacing quantum computers over a future quantum Internet, and, thus, present a market opportunity with end-users in the quantum computing industry as well as future quantum network operators. We address the challenges of developing quantum devices and applications that use multiple qubits and entanglement to realize interconversion of information, enhancement of quantum processing capabilities and quantum communication for physics-based information security.
基于超导微波电路的量子比特已经成为量子处理器的主要平台。然而,它们缺乏量子计算机未来高级应用所必需的关键特性。例如,它们相对较短的相干时间阻止了量子比特的长时间存储,而它们在微波状态下的操作使得它们的量子比特不可能在它们的10 mK低温环境之外的任何距离上传输。一种自然的方法是实现一个混合平台,在这个平台上超导量子比特由另一个平台补充,这确实允许微波量子比特的长期存储和转换/转导到光波量子比特。我们提出了一个稀土离子掺杂的固态平台,以同时实现这两个特性。更准确地说,镱掺杂正硅酸钇(Yb:YSO)具有独特的特性,可以保证长相干时间的存储和自旋转换,其频率与微波量子位兼容,用于转导。至关重要的是,这些特性存在于与超导量子比特兼容的条件下,比如零磁场。我们的项目旨在发展和成熟这种超导量子比特和新型镱基固态材料的杂交平台。该项目将展示Yb:YSO晶体中光学和微波光子的量子存储器,并探索量子波长转导的要求以及原理验证实验。进一步的目标是将我们的平台与基于波长匹配Yb光学跃迁的量子点发射器的量子光源集成。这些步骤将导致一个完全集成的光子学设备,用于在未来的量子互联网上连接量子计算机,因此,为量子计算行业的最终用户以及未来的量子网络运营商提供了一个市场机会。我们解决了开发量子器件和应用的挑战,使用多个量子位和纠缠来实现信息的相互转换,增强量子处理能力和量子通信,以实现基于物理的信息安全。

项目成果

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