Επιδράσεις της κβαντικής μηχανικής, συμπεριλαμβανομένης της εμπλοκής δύο σωματιδίων (φαινόμενο στο οποίο χωριστές καταστάσεις
Δύο ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών ανακοίνωσανδημιουργία πηγών μεμονωμένων φωτονίων που είναι απαραίτητα για τη μετάδοση δεδομένων σε ένα κβαντικό δίκτυο. Γερμανοί ερευνητές από το Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου χρησιμοποίησαν άτομα ερβίου ενσωματωμένα σε κρύσταλλο πυριτίου, τα οποία παράγουν φως με συχνότητα που αντιστοιχεί στα σύγχρονα δίκτυα επικοινωνιών.
Και μηχανικοί από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της ΜασαχουσέτηςΤο Ινστιτούτο χρησιμοποιεί νανοκρυστάλλους περοβσκίτη, η παραγωγή των οποίων είναι εύκολο να κλιμακωθεί. Ωστόσο, δεν απαιτούν υπερβολική ψύξη και μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία δωματίου.
Τι είναι ένα κβαντικό δίκτυο;
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν θεωρητικά να αποδώσουνεργασίες που δεν μπορούν να επιλυθούν ακόμη και στους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές στον κόσμο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μοντελοποίηση των ιδιοτήτων υλικών και πολύπλοκων συστημάτων. Αλλά για να επιτύχουμε πραγματικά ουσιαστικά αποτελέσματα, χρειαζόμαστε έναν αποτελεσματικό τρόπο σύνδεσης κόμβων κβαντικών πληροφοριών - κατανεμημένων κβαντικών επεξεργαστών.
Επειδή οι κβαντικοί υπολογιστές είναι βασικάδιαφέρουν από τα κλασικά, οι συνήθεις μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση πληροφοριών δεν ισχύουν άμεσα για αυτούς. Οι κβαντικές πληροφορίες είναι πιο σύνθετες: αντί να αποθηκεύεται μόνο η τιμή 0 ή 1, όπως στους κλασικούς υπολογιστές, ένα qubit μπορεί ταυτόχρονα να λάβει τις τιμές 0 και 1 (φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση).
Η ιδανική λύση είναι ένα κβαντικό δίκτυο −μια ένωση στην οποία πραγματοποιείται μια άμεση ανταλλαγή qubits πληροφοριών με τη διατήρηση των κβαντομηχανικών ιδιοτήτων. Το κβαντικό δίκτυο συνδέει τους κόμβους επεξεργασίας με φωτόνια που διέρχονται από ειδικές διασυνδέσεις γνωστές ως κυματοδηγοί.
Το πλεονέκτημα μιας τέτοιας σύνδεσης είναι ότιΟι κβαντικές συσκευές επικοινωνούν απευθείας, επιτρέποντας ταχύτερη επεξεργασία δεδομένων. Επιπλέον, τέτοια δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ασφαλή μετάδοση δεδομένων: μόλις ένας εισβολέας προσπαθήσει να υποκλέψει τις πληροφορίες που "κωδικοποιούνται" στα φωτόνια, οι κβαντικές ιδιότητες των σωματιδίων θα χαθούν και τα δεδομένα θα καταστούν άχρηστα.
Άτομα ερβίου σε κρύσταλλο πυριτίου
Κβαντικός συντονιστής βασισμένος σε κρύσταλλο πυριτίου. Εικόνα: MCQST
Γερμανοί μηχανικοί έχουν αναπτύξει ένα οπτικόένας συντονιστής για κβαντικά δίκτυα που βασίζεται σε κρύσταλλο πυριτίου εμποτισμένο με άτομα ερβίου. Η εξέλιξη ακολουθεί μια προηγούμενη μελέτη από την ίδια ομάδα σχετικά με την ενσωμάτωση μεμονωμένων ατόμων σπάνιων γαιών σε κρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιώντας μια σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (περίπου 500°C) για να διασφαλιστεί ότι μεγάλοι αριθμοί ατόμων ερβίου δεν συγκεντρώνονται στο πλέγμα πυριτίου.
Σε μια νέα μελέτη της οποίας τα αποτελέσματαπου δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Optica, οι ερευνητές έδειξαν ότι χρησιμοποιώντας τέτοιους κρυστάλλους είναι δυνατό να δημιουργηθούν μεμονωμένα φωτόνια με επιθυμητές ιδιότητες. Τα άτομα ερβίου που τοποθετούνται σε κρύσταλλο πυριτίου έχουν εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες, σημειώνουν οι συγγραφείς της μελέτης. Εκπέμπουν φως με μήκος κύματος 1536 nm. Αυτό είναι σχεδόν πανομοιότυπο με το φως που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση δεδομένων σε κλασικά δίκτυα οπτικών ινών.
Οι μηχανικοί έχουν αναπτύξει ένα αντηχείο ντοπαρισμένοέρβιο, το οποίο διαφέρει από τα συμβατικά σχέδια στο ότι δεν περιέχει καθρέφτες. Αντίθετα, χρησιμοποιείται ένα κανονικό σχέδιο οπών μεγέθους νανομέτρων σε κρυσταλλικό πυρίτιο. Αυτό σημαίνει ότι ολόκληρος ο συντονιστής έχει μήκος μόνο μερικά μικρά και περιέχει μόνο μερικές δεκάδες άτομα ερβίου. Συνδέοντας έναν συντονιστή με μια οπτική ίνα και διεγερτικά άτομα με λέιζερ, οι ερευνητές απέδειξαν ότι μπορούν να εκπέμπονται μεμονωμένα φωτόνια με επιθυμητά χαρακτηριστικά.
Οι ερευνητές σημειώνουν δύο βασικά οφέλη,το οποίο λένε ότι κάνει το πυρίτιο με πρόσμειξη ερβίου «ιδανικό υποψήφιο για την κατασκευή κβαντικών δικτύων». Πρώτον, βασίζεται σε ένα κλασικό υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή ημιαγωγών, πράγμα που σημαίνει ότι η μεγάλης κλίμακας δημιουργία των απαραίτητων εξαρτημάτων δεν θα απαιτεί τη δημιουργία νέων πολύπλοκων εγκαταστάσεων παραγωγής.
Και δεύτερον, το σύστημα λειτουργεί σε σχετικάυψηλή (για κβαντικές τεχνολογίες) θερμοκρασία - περίπου 8 K (-265 °C). Σε αντίθεση με τα συστήματα που λειτουργούν κοντά στο απόλυτο μηδέν, τέτοιες συνθήκες δημιουργούνται ευκολότερα με ψύξη σε υγρό κρυοστάτη ηλίου.
Οι περοβσκίτες ως πηγές απλών φωτονίων
Νανοκρύσταλλοι περοβσκίτη. Εικόνα: MIT
Οι ερευνητές του MIT προτείνουν μια εναλλακτική λύσηΤο υλικό για τη δημιουργία κβαντικών δικτύων είναι οι περοβσκίτες. Αυτό το υλικό έχει ήδη καθιερωθεί ευρέως ως πιθανή εναλλακτική λύση στο πυρίτιο στα ηλιακά κύτταρα. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Photonics, οι μηχανικοί έδειξαν ότι μπορούσαν επίσης να δημιουργήσουν ένα ρεύμα πανομοιότυπων φωτονίων.
Για τη μελέτη τους, οι φυσικοί χρησιμοποίησαννανοσωματίδια περοβσκίτη αλογονίτη μολύβδου. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα χρησιμοποιούν λεπτές μεμβράνες αυτού του υλικού και με τη μορφή νανοσωματιδίων, έχουν απίστευτα υψηλό ποσοστό κρυογονικής ακτινοβολίας, που τα διακρίνει από άλλα κολλοειδή νανοσωματίδια ημιαγωγών. Όσο πιο γρήγορο φως εκπέμπεται, τόσο πιο πιθανό είναι το σήμα εξόδου να έχει μια καλά καθορισμένη κυματοσυνάρτηση, η οποία είναι απαραίτητη για τα κβαντικά δίκτυα.
Για να ελέγξετε ότι τα φωτόνια είναιδημιουργούν πραγματικά έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια τυπική δοκιμή. Συνίσταται στην ανίχνευση ενός ειδικού είδους παρεμβολής μεταξύ δύο φωτονίων, του φαινομένου Hong-Wu-Mandela. Τα αποτελέσματα του πειράματος επιβεβαίωσαν ότι η πηγή εκπέμπει κβαντικό φως.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι μέχρι στιγμής η εγκατάσταση δεν έχειείναι τέλειο και λειτουργεί με παρεμβολές, αλλά είναι σίγουροι ότι αυτό μπορεί να ξεπεραστεί τοποθετώντας περοβσκίτες σε μια οπτική κοιλότητα - ένα εφέ που λειτουργεί με άλλα υλικά.
Ταυτόχρονα, οι ερευνητές σημειώνουν το πλεονέκτηματεχνολογία στην ευκολία παραγωγής. «Ο λόγος που άλλες πηγές είναι συνεκτικές είναι επειδή είναι φτιαγμένες από τα πιο αγνά υλικά και η μία μετά την άλλη, άτομο προς άτομο. Έτσι έχουμε πολύ κακή επεκτασιμότητα και πολύ κακή αναπαραγωγιμότητα», λέει ο Alexander Kaplan, συν-συγγραφέας της μελέτης. Αντίθετα, τα νανοσωματίδια περοβσκίτη κατασκευάζονται σε διάλυμα και απλά εφαρμόζονται σε ένα υλικό υποστρώματος. Επιπλέον, τέτοιες πηγές λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου και δεν απαιτούν ψύξη.
Και οι δύο προτεινόμενες τεχνολογίες δεν είναι ακόμημια έτοιμη λύση για την κατασκευή κβαντικών δικτύων. Αλλά αυτό είναι ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση. Το γεγονός ότι διαφορετικές ομάδες ερευνητών σε όλο τον κόσμο αναπτύσσουν εναλλακτικές τεχνολογίες και προσπαθούν να βρουν μια λύση που είναι σχετικά φθηνή και εύκολη στην κλίμακα υποδηλώνει ότι τα κβαντικά δίκτυα μπορεί σύντομα να γίνουν πραγματικότητα.
Διαβάστε περισσότερα:
Ένα παράξενο αντικείμενο πιο καυτό από τον Ήλιο εξέπληξε τους αστρονόμους
Στη Μογγολία βρέθηκε ένα τεχνούργημα που μοιάζει με φαλλό: είναι περίπου 42.000 ετών
Βρέθηκε το ψηλότερο δέντρο στην Ασία: δείξτε πώς φαίνεται
Εικόνα εξωφύλλου: C. Hohmann, MCQST