QuIC-TAQS: Deterministically Placed Nuclear Spin Quantum Memories for Entanglement Distribution

QuIC-TAQS:用于纠缠分布的确定性放置的核自旋量子存储器

基本信息

  • 批准号:
    2137828
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 250万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Connecting nodes of a communication network with quantum states would fundamentally change the way we communicate, process information, and sense the world around us. Unfortunately, realizing such connections over long distances has been hampered by the lack of quantum interconnects that can transfer, store, and manipulate delicate quantum states. This project aims to demonstrate a quantum repeater with precisely placed quantum memory to enable large-scale quantum networks. The PIs will accomplish this using ultra-pure semiconductor materials coupled with novel atomic-scale fabrication techniques capable of creating quantum devices with atomic precision. The devices will be integrated into photonic platforms and protocols for their use and system-level integration will be developed. The regularity and quality of the qubits synthesized through these techniques will enable large-scale quantum interconnects. The PIs will also develop new multi-disciplinary undergraduate curricula to train students in quantum information science and recruit students from underrepresented groups into the program and research. Ensuring quantum concepts are introduced during the first year of study coupled with hands-on undergraduate research will help train the future workforce in quantum information sciences. This research aims to demonstrate a quantum repeater using the silicon monovacancy at a hexagonal Si site (the V1 center) in isotopically purified SiC. The goals of this research include: (1) create deterministically-placed V1 centers in ultra-low defect, isotopically-pure 28Si12C grown epitaxially; (2) create nearby deterministically-placed 29Si or 13C nuclear isotopes as quantum memories using atomically precise fabrication techniques using a scanning tunneling microscope; (3) exploit the precise placement of the nuclear spin to enable superior quantum memories and control schemes for transferring quantum information to and from the memory and distant nodes; (4) integrate the optically-addressable defects and quantum memories into nanophotonic structures, providing a nanophotonic interface and aiding integration in scalable quantum networks; and (5) develop and implement optimized routing, entanglement, and measurement protocols for the demonstrated repeater in a quantum internet, incorporating realistic device performance such as gate errors, channel loss, and memory lifetimes. The results of this project will enable the fabrication of quantum repeaters on the timescale of days compared to the year that current approaches require. Additionally, the utility of this approach is not limited to developing quantum repeaters, and could enable superior defect-based quantum processors, quantum sub-systems, and quantum sensors.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
连接通信网络的节点与量子状态将从根本上改变我们交流,处理信息并感知周围世界的方式。 不幸的是,由于缺乏可以转移,存储和操纵精致的量子状态的量子互连的量子连接缺乏量子互连,因此意识到这种连接已受到阻碍。 该项目旨在展示具有精确放置量子内存的量子中继器,以实现大规模的量子网络。 PI将使用超纯净的半导体材料以及能够用原子精度创建量子设备的新型原子尺度制造技术来实现这一目标。 设备将集成到光子平台和协议中供其使用,系统级集成将被开发。 通过这些技术合成的量子位的规律性和质量将实现大规模量子互连。 PI还将开发新的多学科本科课程,以培训量子信息科学的学生,并从代表性不足的群体中招募学生参加计划和研究。确保在研究的第一年中引入量子概念,再加上动手本科研究,将有助于培训未来的Quantum信息科学劳动力。这项研究旨在在同位素纯化的SIC中使用硅si位点(V1中心)在六角形SI位置(V1中心)进行量子中继器。 这项研究的目标包括:(1)在超低缺陷中创建确定性位置的V1中心,同位素pure 28si12c在外上脚上生长; (2)使用扫描隧道显微镜使用原子精确的制造技术,创建附近确定性位置的29SI或13C核同位素作为量子记忆; (3)利用核自旋的精确放置,以使上量子记忆和控制方案能够将量子信息传输到记忆和遥远的节点; (4)将光学印度的缺陷和量子记忆集成到纳米光子结构中,提供纳米光子界面并在可伸缩的量子网络中有助于积分; (5)为量子互联网中演示的中继器开发和实施优化的路由,纠缠和测量协议,并结合了现实的设备性能,例如门错误,频道丢失和内存寿命。 与当前方法所需的一年相比,该项目的结果将使量子中继器在天数的时间范围内制造。 此外,这种方法的实用性不仅限于开发量子中继器,并且可以使基于缺陷的量子处理器,量子子系统和量子传感器能够提供出色的量子处理器。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准来通过评估来通过评估来获得支持的。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
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专利数量(0)

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