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Quantum Metamaterials with integrated atomic-like arrays for quantum information processing

Description du projet

Des interactions lumière-matière inédites dans des métamatériaux quantiques

On parle d’intrication quantique lorsque l’état quantique de deux ou plusieurs particules ne peut être décrit indépendamment de l’autre ou des autres particules, même à distance. Cela permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer des tâches inaccessibles aux ordinateurs classiques. Elle requiert des interactions fortes entre des qubits localisés (atomes) et des qubits volants (photons), mais la force de l’interaction et les mécanismes de perte qui s’ensuivent limitent les paradigmes actuels. Le projet QuantMeta, financé par le CER, entend lever cet obstacle à des opérations quantiques efficaces en créant des métamatériaux quantiques à partir de réseaux d’émetteurs quantiques, en tant que nouvelles interfaces pour générer l’intrication atome-photon. Le contrôle cohérent des degrés de liberté internes des émetteurs et le tout premier accès jamais réalisé à des états à longue durée de vie conduiront à des états intriqués à plusieurs corps pour un calcul quantique à sens unique.

Objectif

The key to realizing quantum systems that can implement quantum information processing is entanglement generation between many qubits. For distributing entanglement strong interactions between localized qubits (atoms) and flying qubits (photons) have to be ensured. The quantum-science community is currently searching for systems that offer enhanced light--matter interaction, as the efficiency of quantum operations in current state-of-the-art systems is limited by the interaction strength and loss mechanisms, which impede the generation of useful many-body entangled states.

We plan to address this challenge by creating quantum metamaterials from quantum-emitter arrays as novel interfaces for generating atom-photon entanglement. Whereas most of the scientific effort focuses on coupling localized qubits to pre-designed structures to enhance interaction (i.e. cavities), we plan to take a completely different approach: building bottom-up quantum optical metamaterials out of quantum particles. We will achieve this by embedding silicon-vacancy-center arrays integrated in a diamond chip, which have shown to be top candidates for entanglement distribution.

We will harness the enhanced collective response of the emitters to light and achieve a quantum response by coherently controlling the emitters' internal degrees of freedom. We will also access never-before-observed long-lived states, which are ideal for quantum memory. Our vision is to implement a scalable quantum light source with many degrees of freedom that generates large-scale atom-photon entanglement. By employing quantum information protocols we developed, our system can generate many-body entangled states applicable to one-way quantum computation. Our system unites major advantages for scaling-up entanglement: 1. High-fidelity quantum control over photonic states. 2. Potential operation-time speed-up by parallelizing photon control. 3. Quantum memory with long-lived states. 4. Integration into nanophotonics

Régime de financement

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

Institution d’accueil

THE HEBREW UNIVERSITY OF JERUSALEM
Contribution nette de l'UE
€ 2 374 938,75
Adresse
EDMOND J SAFRA CAMPUS GIVAT RAM
91904 Jerusalem
Israël

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Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
€ 2 374 938,75

Bénéficiaires (1)