Virkningerne af kvantemekanik, herunder sammenfiltring af to partikler (et fænomen, hvor individuelle stater
To uafhængige grupper af forskere har annonceret oprettelsen af enkelte fotonkilder, som er nødvendige for datatransmission i et kvantenetværk.Tyske forskere fra Max Planck Institute for Quantum Optics og Technical University of Munich har brugt erbiumatomer indlejret i en siliciumkrystal, der giverlys med en frekvens svarende til moderne kommunikationsnetværk.
Og ingeniører fra Massachusetts Institute of Technology bruger perovskite nanokrystaller, hvis produktion er let at skalere.Samtidig kræver de ikke ekstrem afkøling og kan fungere ved stuetemperatur.
Hvad er et kvantenetværk?
Kvantecomputere kan teoretisk præstereopgaver, der ikke kan løses selv på de kraftigste supercomputere i verden. De kan bruges til at modellere egenskaberne af materialer og komplekse systemer. Men for at opnå virkelig meningsfulde resultater har vi brug for en effektiv måde at forbinde noder af kvanteinformation - distribuerede kvanteprocessorer.
Fordi kvantecomputere er fundamentalt forskellige fra klassiske computere, er de sædvanlige metoder, der bruges til at transmittere information, ikke direkte anvendelige på dem.Kvanteinformation er mere kompleks: i stedet for kun at gemme en værdi på 0 eller 1, som i klassiske computere, en qubitkan påtage sig værdier på 0 og 1 på samme tid (et fænomen kendt som superposition).
Den ideelle løsning er et kvantenetværk −en forbindelse, hvori en direkte udveksling af informations-qubits udføres med bevarelse af kvantemekaniske egenskaber. Kvantenetværket forbinder behandlingsknuderne med fotoner, der passerer gennem specielle sammenkoblinger kendt som bølgeledere.
Fordelen ved sådan en forbindelse er, atkvanteenheder kommunikerer direkte, hvilket muliggør hurtigere databehandling. Derudover kan sådanne netværk bruges til sikker datatransmission: så snart en angriber forsøger at opsnappe informationen "kodet" i fotoner, vil partiklernes kvanteegenskaber gå tabt, og dataene bliver ubrugelige.
Erbium atomer i en silicium krystal
Kvanteresonator baseret på en siliciumkrystal. Billede: MCQST
Tyske ingeniører har udviklet en optiken resonator til kvantenetværk baseret på en siliciumkrystal doteret med erbiumatomer. Udviklingen følger en tidligere undersøgelse foretaget af samme gruppe om inkorporering af individuelle sjældne jordarters atomer i krystallinsk silicium ved hjælp af en relativt lav temperatur (ca. 500°C) for at sikre, at et stort antal erbiumatomer ikke klynger sammen i siliciumgitteret.
I en ny undersøgelse, hvis resultateroffentliggjort i tidsskriftet Optica viste forskerne, at ved hjælp af sådanne krystaller er det muligt at generere enkelte fotoner med ønskede egenskaber. Erbium-atomer placeret i en siliciumkrystal har fremragende optiske egenskaber, bemærker forfatterne af undersøgelsen. De udsender lys med en bølgelængde på 1536 nm. Dette er næsten identisk med det lys, der bruges til at transmittere data i klassiske fiberoptiske netværk.
Ingeniører har udviklet en resonator dopeterbium, som adskiller sig fra konventionelle designs ved, at det ikke indeholder spejle. I stedet bruges et regulært mønster af huller i nanometerstørrelse i krystallinsk silicium. Det betyder, at hele resonatoren kun er et par mikrometer lang og kun indeholder nogle få tiere af erbiumatomer. Ved at forbinde en resonator til en optisk fiber og excitere atomer med en laser, viste forskerne, at individuelle fotoner med ønskede egenskaber kan udsendes.
Forskerne bemærker to hovedfordele, som de siger gørErbiumdoteret silicium er "en ideel kandidat til opbygning af kvantenetværk."Storskala oprettelse af de nødvendige komponenter kræver ikke oprettelse af nye komplekse produktionsfaciliteter.
Og for det andet fungerer systemet relativthøj (til kvanteteknologier) temperatur - omkring 8 K (-265 °C). I modsætning til systemer, der opererer nær det absolutte nulpunkt, er sådanne forhold lettere at skabe ved afkøling i en flydende heliumkryostat.
Perovskites som enkeltfotonkilder
Perovskit nanokrystaller. Billede: MIT
MIT-forskere foreslår et alternativMaterialet til at skabe kvantenetværk er perovskites. Dette materiale har allerede bredt etableret sig som et potentielt alternativ til silicium i solceller. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics viste ingeniørerne, at de også kunne generere en strøm af identiske fotoner.
Til deres undersøgelse brugte fysikerenanopartikler af blyhalitperovskit. Fotovoltaiske celler bruger tynde film af dette materiale, og i form af nanopartikler har de en utrolig høj grad af kryogen stråling, hvilket adskiller dem fra andre kolloide halvledernanopartikler. Jo hurtigere lys der udsendes, jo mere sandsynligt er det, at udgangssignalet vil have en veldefineret bølgefunktion, hvilket er essentielt for kvantenetværk.
For at kontrollere, at de fotoner, de ergenerere virkelig har de ønskede egenskaber, gennemførte forskerne en standardtest. Den består i at detektere en særlig form for interferens mellem to fotoner, Hong-Wu-Mandela-effekten. Resultaterne af eksperimentet bekræftede, at kilden udsender kvantelys.
Forskerne bemærker, at installationen endnu ikke er perfekt og arbejder med interferens, men de er overbeviste om, at det vil være muligt atovervinde ved at placere perovskites i en optisk resonator - en effekt, der virkermed andre materialer.
Samtidig bemærker forskerne fordelenteknologi for at lette produktionen. "Grunden til, at andre kilder er sammenhængende, er, at de er lavet af de reneste materialer og den ene efter den anden, atom for atom. Så vi har meget dårlig skalerbarhed og meget dårlig reproducerbarhed,” siger Alexander Kaplan, medforfatter til undersøgelsen. I modsætning hertil fremstilles perovskit-nanopartikler i opløsning og påføres blot et substratmateriale. Desuden fungerer sådanne kilder ved stuetemperatur og kræver ikke køling.
Begge foreslåede teknologier er endnu ikkeen færdiglavet løsning til opbygning af kvantenetværk. Men dette er et skridt i den rigtige retning. Det faktum, at forskellige grupper af forskere rundt om i verden udvikler alternative teknologier og forsøger at finde en løsning, der er relativt billig og let at skalere, tyder på, at kvantenetværk snart kan blive en realitet.
Læs mere:
Et mærkeligt objekt varmere end Solen overraskede astronomerne
En artefakt, der ligner en fallus, blev fundet i Mongoliet: den er omkring 42.000 år gammel
Fandt det højeste træ i Asien: vis hvordan det ser ud
Forsidebillede: C. Hohmann, MCQST