Innowacyjne urządzenie atomowe umożliwia prostsze łączenie komputerów kwantowych

Badacze z Princeton przedstawiają nowy sposób budowania wzmacniaczy kwantowych przy użyciu światła gotowego do komunikacji z pojedynczego jonu, przy czym wolframian wapnia okazuje się idealnym materiałem. Przyszłe prace mają na celu poprawę czasu przechowywania stanu kwantowego.

Nowe urządzenie atomowe przesyła informacje kwantowe o wysokiej rozdzielczości za pośrednictwem sieci światłowodowych.

Naukowcy odkryli nowy sposób łączenia urządzeń kwantowych na duże odległości, co stanowi niezbędny krok w kierunku umożliwienia tej technologii odegrania roli w przyszłych systemach komunikacyjnych.

Podczas gdy dzisiejsze klasyczne sygnały danych można wzmocnić w całym mieście lub oceanie, sygnały kwantowe nie. Musi być powtarzany w określonych odstępach czasu, czyli zatrzymywany, kopiowany i przekazywany przez wyspecjalizowane maszyny zwane wzmacniaczami kwantowymi. Wielu ekspertów uważa, że ​​te wzmacniacze kwantowe odegrają kluczową rolę w przyszłych sieciach komunikacyjnych, umożliwiając zwiększenie bezpieczeństwa i komunikację między zdalnymi komputerami kwantowymi.

Nowe podejście do wzmacniaczy kwantowych

Badanie Princeton, opublikowane dzisiaj (30 sierpnia) w Naturaszczegółowo opisuje podstawy nowego podejścia do konstruowania wzmacniaczy kwantowych. Wysyła światło gotowe do komunikacji, emitowane przez pojedynczy jon wszczepiony w kryształ. Według Jeffa Thompsona, głównego autora badania, wysiłki te zajęły wiele lat. Praca łączy postęp w projektowaniu optycznym i materiałoznawstwie.

Inne wiodące konstrukcje wzmacniaczy kwantowych emitują światło w widmie widzialnym, które szybko zanika w światłowodach i musi zostać przetworzone przed przebyciem dużych odległości. Nowe urządzenie opiera się na pojedynczym jonzie pierwiastka ziem rzadkich wszczepionym w kryształ macierzysty. Ponieważ jon ten emituje światło o idealnej długości fali podczerwieni, nie wymaga takiej konwersji sygnału, co mogłoby prowadzić do prostszych i solidniejszych sieci.

Naukowcy z Uniwersytetu Princeton opracowali nowy sposób łączenia komputerów kwantowych z sygnałami o wysokiej rozdzielczości przy użyciu długości fal światła w zakresie komunikacyjnym. Źródło: Zdjęcie: Samir A. Khan / Fotociało

Konstrukcja i funkcjonalność urządzenia

Urządzenie składa się z dwóch części: kryształu wolframianu wapnia inkrustowanego kilkoma jonami erbu oraz nanocząsteczki krzemu wytrawionej w kanale w kształcie litery J. Jon jest pulsowany specjalnym laserem, który emituje światło przez kryształ. Ale kawałek krzemu, kawałek półprzewodnika przyklejony do górnej części kryształu, wychwytuje pojedyncze fotony i kieruje je do kabla światłowodowego.

Idealnie to Foton Thompson powiedział, że zostanie zakodowany przy użyciu informacji z jonu. A dokładniej, z kwantowej właściwości jonu zwanej spinem. W wzmacniaczu kwantowym zbieranie sygnałów z odległych węzłów i zakłócanie ich spowodowałoby splątanie między ich spinami, umożliwiając przesyłanie stanów kwantowych od końca do końca pomimo strat po drodze.

Wybór i testowanie materiałów

Zespół Thomsona zaczął pracować z jonami erbu kilka lat temu, ale wczesne wersje wykorzystywały różne kryształy, które zawierały dużo szumu. W szczególności szum ten spowodował losowy skok częstotliwości emitowanych fotonów w procesie znanym jako rozpraszanie widmowe. Zapobiegło to subtelnym zakłóceniom kwantowym niezbędnym do działania sieci kwantowych. Aby rozwiązać ten problem, jego laboratorium nawiązało współpracę z Nathalie De Leon, adiunktem inżynierii elektrycznej i komputerowej, oraz Robertem Cavą, czołowym naukowcem zajmującym się materiałami w stanie stałym i Russellem Wellmanem Moore’em, profesorem chemii na Uniwersytecie Princeton, w celu zbadania nowych materiałów, które mogłyby gospodarze pojedynczych organizmów. Jony erbu są znacznie mniej hałaśliwe.

Posortowali listę kandydatów od setek tysięcy do kilkuset, potem kilkudziesięciu, a potem trzech. Przesłuchanie każdego z finalistów zajęło pół roku. Okazuje się, że pierwszy artykuł nie był wystarczająco jasny. Drugi spowodował, że erb miał słabe właściwości kwantowe. Ale trzeci, wolframian wapnia, był w sam raz.

Zademonstrowanie potencjału nowych materiałów

Aby udowodnić, że nowy materiał nadaje się do sieci kwantowych, badacze zbudowali interferometr, w którym fotony losowo przechodzą jedną z dwóch ścieżek: krótką ścieżką o długości kilku stóp lub długą ścieżką o długości 30 km (wykonaną ze zwiniętego światłowodu). . włókno). Fotony emitowane przez jon mogą podążać długą lub krótką ścieżką, a w mniej więcej połowie czasu kolejne fotony pokonują przeciwne ścieżki, docierając do wyjścia w tym samym czasie.

Kiedy dochodzi do takiej kolizji, interferencja kwantowa powoduje, że fotony opuszczają wyjście parami, jeśli są w zasadzie nie do odróżnienia – i mają ten sam kształt i częstotliwość. W przeciwnym razie opuszczają interferometr indywidualnie. Obserwując silne tłumienie – aż do 80 procent – ​​poszczególnych fotonów na wyjściach interferometru, zespół ostatecznie wykazał, że jony erbu w nowym materiale emitują nierozróżnialne fotony. Według Salima Orari, absolwenta, który współprowadził badania, oznacza to, że sygnał znacznie przekracza próg hi-fi.

przyszła praca

Chociaż prace te przekraczają ważny próg, potrzebne są dodatkowe prace, aby skrócić czas przechowywania stanów kwantowych w spinie jonów erbu. Zespół pracuje obecnie nad uzyskaniem wyższej czystości wolframianu wapnia i mniejszej ilości zanieczyszczeń zakłócających kwantowe stany spinowe.

Odniesienie: „Nie do odróżnienia fotony pasma telekomunikacyjnego od pojedynczego jonu erbu w stanie stałym” Slim Orari, Łukasz Dusanowski, Sebastian B. Caffa, Natalia B. De Leona i Jeffa D. Thompson, 30 sierpnia 2023 r., dostępne tutaj. Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06281-4

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Natura Przy wsparciu Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Biura Nauki, Krajowych Centrów Badań nad Informacją Kwantową i Wspólnego Centrum Projektowego na rzecz Przewagi Kwantowej (C2QA). Oprócz Thompsona, Cavy i Orari autorami są Lukas Dusanowski, Sebastian B. Horvath, Muhammad T Uysal, Christopher M. Fennessy, Paul Stephenson, Muktik Raha, Songtao Chen i Natalie De Leon. Orari, Dusanowski, Horvarth i Uysal wnieśli równy wkład.