Účinky kvantové mechaniky, včetně zapletení dvou částic (jev, při kterém se oddělují stavy
Oznámily to dvě nezávislé skupiny výzkumníkůvytváření zdrojů jednotlivých fotonů, které jsou nezbytné pro přenos dat v kvantové síti. Němečtí vědci z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku a Technické univerzity v Mnichově použili atomy erbia vložené do křemíkového krystalu, které produkují světlo s frekvencí odpovídající moderním komunikačním sítím.
A inženýři z Massachusettského technologického institutuÚstav využívá nanokrystaly perovskitu, jejichž výroba je snadno škálovatelná. Nevyžadují však extrémní chlazení a mohou pracovat při pokojové teplotě.
Co je to kvantová síť?
Kvantové počítače mohou teoreticky fungovatúlohy, které nelze vyřešit ani na nejvýkonnějších superpočítačích světa. Lze je použít k modelování vlastností materiálů a složitých systémů. Ale abychom dosáhli skutečně smysluplných výsledků, potřebujeme efektivní způsob, jak propojit uzly kvantové informace – distribuované kvantové procesory.
Protože kvantové počítače jsou principiálněse od klasických liší, obvyklé metody používané k přenosu informací na ně nejsou přímo použitelné. Kvantová informace je složitější: místo uložení pouze hodnoty 0 nebo 1, jako u klasických počítačů, může qubit současně nabývat hodnot 0 a 1 (jev známý jako superpozice).
Ideálním řešením je kvantová síť −sloučenina, ve které se provádí přímá výměna informačních qubitů se zachováním kvantově mechanických vlastností. Kvantová síť spojuje procesní uzly s fotony, které procházejí speciálními propojeními známými jako vlnovody.
Výhodou takového spojení je, žekvantová zařízení komunikují přímo, což umožňuje rychlejší zpracování dat. Takové sítě lze navíc využít pro bezpečný přenos dat: jakmile se útočník pokusí zachytit informace „zakódované“ ve fotonech, kvantové vlastnosti částic se ztratí a data se stanou nepoužitelnými.
Atomy erbia v krystalu křemíku
Kvantový rezonátor na bázi křemíkového krystalu. Obrázek: MCQST
Němečtí inženýři vyvinuli optikurezonátor pro kvantové sítě na bázi křemíkového krystalu dopovaného atomy erbia. Vývoj navazuje na předchozí studii stejné skupiny o začlenění jednotlivých atomů vzácných zemin do krystalického křemíku za použití relativně nízké teploty (kolem 500 °C), aby se zajistilo, že se v křemíkové mřížce neshlukne velké množství atomů erbia.
V nové studii, jejíž výsledkypublikované v časopise Optica, vědci ukázali, že pomocí takových krystalů je možné generovat jednotlivé fotony s požadovanými vlastnostmi. Atomy erbia umístěné v krystalu křemíku mají vynikající optické vlastnosti, poznamenávají autoři studie. Vyzařují světlo o vlnové délce 1536 nm. To je téměř totožné se světlem, které se používá k přenosu dat v klasických optických sítích.
Inženýři vyvinuli dopovaný rezonátorerbium, které se od běžných provedení liší tím, že neobsahuje zrcadla. Místo toho se používá pravidelný vzor nanometrových děr v krystalickém křemíku. To znamená, že celý rezonátor je jen několik mikronů dlouhý a obsahuje jen několik desítek atomů erbia. Připojením rezonátoru k optickému vláknu a excitací atomů laserem vědci prokázali, že mohou být emitovány jednotlivé fotony s požadovanými charakteristikami.
Výzkumníci zaznamenali dvě hlavní výhody,což podle nich činí křemík dopovaný erbiem „ideálním kandidátem pro budování kvantových sítí“. Zaprvé je založen na klasickém materiálu, který je široce používán ve výrobě polovodičů, což znamená, že velkosériová výroba potřebných součástek nebude vyžadovat vytváření nových komplexních výrobních zařízení.
A za druhé, systém funguje relativněvysoká (pro kvantové technologie) teplota - asi 8 K (-265 °C). Na rozdíl od systémů pracujících blízko absolutní nuly se takové podmínky snáze vytvářejí chlazením v kryostatu s kapalným heliem.
Perovskity jako zdroje jednoho fotonu
Nanokrystaly perovskitu. Obrázek: MIT
Výzkumníci z MIT navrhují alternativuMateriálem pro tvorbu kvantových sítí jsou perovskity. Tento materiál se již široce etabloval jako potenciální alternativa křemíku v solárních článcích. Ve studii publikované v časopise Nature Photonics inženýři ukázali, že mohou také generovat proud identických fotonů.
Pro své studium použili fyzicinanočástice halit perovskitu olovnatého. Fotovoltaické články využívají tenké vrstvy tohoto materiálu a ve formě nanočástic mají neuvěřitelně vysokou míru kryogenního záření, což je odlišuje od ostatních koloidních polovodičových nanočástic. Čím rychleji je světlo emitováno, tím je pravděpodobnější, že výstupní signál bude mít dobře definovanou vlnovou funkci, která je nezbytná pro kvantové sítě.
Abychom zkontrolovali, že to jsou fotonygenerovat skutečně mají požadované vlastnosti, provedli vědci standardní test. Spočívá v detekci zvláštního druhu interference mezi dvěma fotony, Hong-Wu-Mandela efektu. Výsledky experimentu potvrdily, že zdroj vyzařuje kvantové světlo.
Výzkumníci poznamenávají, že zatím instalace neje perfektní a pracuje s interferencí, ale jsou si jisti, že to lze překonat umístěním perovskitů do optické dutiny - efekt, který funguje s jinými materiály.
Současně výzkumníci zaznamenali výhodutechnologie v jednoduchosti výroby. „Důvod, proč jsou ostatní zdroje koherentní, je ten, že jsou vyrobeny z nejčistších materiálů a jeden po druhém, atom po atomu. Máme tedy velmi špatnou škálovatelnost a velmi špatnou reprodukovatelnost,“ říká Alexander Kaplan, spoluautor studie. Naproti tomu perovskitové nanočástice jsou vyráběny v roztoku a jednoduše aplikovány na substrátový materiál. Navíc takové zdroje pracují při pokojové teplotě a nevyžadují chlazení.
Obě navrhované technologie zatím nejsouhotové řešení pro budování kvantových sítí. Ale to je krok správným směrem. Skutečnost, že různé skupiny výzkumníků po celém světě vyvíjejí alternativní technologie a snaží se najít řešení, které je relativně levné a snadno škálovatelné, naznačuje, že kvantové sítě se mohou brzy stát realitou.
Přečtěte si více:
Podivný objekt teplejší než Slunce astronomy překvapil
Artefakt připomínající falus byl nalezen v Mongolsku: je starý asi 42 000 let
Nalezen nejvyšší strom v Asii: ukaž, jak vypadá
Titulní obrázek: C. Hohmann, MCQST