Ефекти от квантовата механика, включително заплитане на две частици (явление, при което отделни състояния
Две независими групи изследователи обявихасъздаване на източници на единични фотони, които са необходими за предаване на данни в квантова мрежа. Германски изследователи от Института за квантова оптика Макс Планк и Техническия университет в Мюнхен са използвали атоми на ербий, вградени в силициев кристал, които произвеждат светлина с честота, съответстваща на съвременните комуникационни мрежи.
И инженери от Масачузетския технологичен институтИнститутът използва перовскитни нанокристали, производството на които е лесно за мащабиране. Те обаче не изискват екстремно охлаждане и могат да работят при стайна температура.
Какво е квантова мрежа?
Квантовите компютри теоретично могат да изпълняватзадачи, които не могат да бъдат решени дори на най-мощните суперкомпютри в света. Те могат да се използват за моделиране на свойствата на материали и сложни системи. Но за да постигнем наистина значими резултати, се нуждаем от ефективен начин за свързване на възли от квантова информация - разпределени квантови процесори.
Тъй като квантовите компютри са фундаменталносе различават от класическите, обичайните методи, използвани за предаване на информация, не са пряко приложими за тях. Квантовата информация е по-сложна: вместо да съхранява само стойността 0 или 1, както в класическите компютри, кубитът може едновременно да приема стойностите 0 и 1 (феномен, известен като суперпозиция).
Идеалното решение е квантова мрежа −съединение, в което се извършва директен обмен на информационни кубити със запазване на квантово-механичните свойства. Квантовата мрежа свързва обработващите възли с фотони, които преминават през специални връзки, известни като вълноводи.
Предимството на такава връзка е, чеквантовите устройства комуникират директно, което позволява по-бърза обработка на данни. В допълнение, такива мрежи могат да се използват за сигурно предаване на данни: веднага щом нападателят се опита да прихване информацията, "кодирана" във фотони, квантовите свойства на частиците ще бъдат загубени и данните ще станат неизползваеми.
Ербиеви атоми в силициев кристал
Квантов резонатор на базата на силициев кристал. Изображение: MCQST
Немски инженери са разработили оптикарезонатор за квантови мрежи, базиран на силициев кристал, легиран с ербиеви атоми. Развитието следва предишно проучване от същата група за включване на отделни редкоземни атоми в кристален силиций, използвайки сравнително ниска температура (около 500°C), за да се гарантира, че голям брой ербиеви атоми не се групират заедно в силиконовата решетка.
В ново проучване, чиито резултатипубликувано в списание Optica, изследователите показаха, че с помощта на такива кристали е възможно да се генерират единични фотони с желани свойства. Ербиевите атоми, поставени в силициев кристал, имат отлични оптични свойства, отбелязват авторите на изследването. Те излъчват светлина с дължина на вълната 1536 nm. Това е почти идентично със светлината, която се използва за предаване на данни в класическите оптични мрежи.
Инженерите са разработили легиран резонаторerbium, който се различава от конвенционалните дизайни по това, че не съдържа огледала. Вместо това се използва правилен модел от дупки с нанометрови размери в кристален силиций. Това означава, че целият резонатор е дълъг само няколко микрона и съдържа само няколко десетки ербиеви атоми. Чрез свързване на резонатор към оптично влакно и възбуждане на атоми с лазер, изследователите демонстрираха, че могат да бъдат излъчвани отделни фотони с желани характеристики.
Изследователите отбелязват две основни предимства,което според тях прави легирания с ербий силиций „идеален кандидат за изграждане на квантови мрежи“. Първо, той се основава на класически материал, който се използва широко в производството на полупроводници, което означава, че мащабното създаване на необходимите компоненти няма да изисква създаването на нови сложни производствени съоръжения.
И второ, системата работи относителновисока (за квантовите технологии) температура - около 8 К (-265 °C). За разлика от системите, работещи близо до абсолютната нула, такива условия се създават по-лесно чрез охлаждане в криостат с течен хелий.
Перовскитите като източници на единични фотони
Перовскитни нанокристали. Изображение: MIT
Изследователи от MIT предлагат алтернативаМатериалът за създаване на квантови мрежи са перовскитите. Този материал вече се е утвърдил широко като потенциална алтернатива на силиция в слънчевите клетки. В проучване, публикувано в списанието Nature Photonics, инженерите показаха, че могат също да генерират поток от идентични фотони.
За своето изследване физиците са използвалинаночастици от оловен халит перовскит. Фотоволтаичните клетки използват тънки филми от този материал и под формата на наночастици имат невероятно висока степен на криогенно излъчване, което ги отличава от другите колоидни полупроводникови наночастици. Колкото по-бързо се излъчва светлина, толкова по-вероятно е изходният сигнал да има добре дефинирана вълнова функция, което е от съществено значение за квантовите мрежи.
За да проверите дали фотоните сагенерират наистина имат желаните свойства, изследователите проведоха стандартен тест. Състои се в откриване на специален вид интерференция между два фотона, ефектът Хонг-Ву-Мандела. Резултатите от експеримента потвърдиха, че източникът излъчва квантова светлина.
Изследователите отбелязват, че досега инсталацията не ее перфектен и работи със смущения, но те са уверени, че това може да се преодолее чрез поставяне на перовскити в оптична кухина - ефект, който работи с други материали.
В същото време изследователите отбелязват предимствототехнология за лекота на производство. „Причината другите източници да са съгласувани е, че са направени от най-чистите материали и един след друг, атом по атом. Така че имаме много лоша скалируемост и много слаба възпроизводимост“, казва Александър Каплан, съавтор на изследването. За разлика от тях, перовскитните наночастици се правят в разтвор и просто се нанасят върху субстратен материал. Освен това такива източници работят при стайна температура и не изискват охлаждане.
И двете предложени технологии все още не саготово решение за изграждане на квантови мрежи. Но това е стъпка в правилната посока. Фактът, че различни групи изследователи по света разработват алтернативни технологии и се опитват да намерят решение, което е сравнително евтино и лесно за мащабиране, предполага, че квантовите мрежи може скоро да станат реалност.
Прочетете още:
Странен обект, по-горещ от Слънцето, изненада астрономите
В Монголия откриха артефакт, наподобяващ фалос: той е на около 42 000 години
Намерихте най-високото дърво в Азия: покажете как изглежда
Изображение на корицата: C. Hohmann, MCQST