Kvanttimekaniikan vaikutukset, mukaan lukien kahden hiukkasen sotkeutuminen (ilmiö, jossa erilliset tilat
Kaksi riippumatonta tutkijaryhmää ovat ilmoittaneetluomalla yksittäisten fotonien lähteitä, joita tarvitaan tiedonsiirrossa kvanttiverkossa. Saksalaiset tutkijat Max Planck Institute for Quantum Opticsista ja Münchenin teknisestä yliopistosta käyttivät piikiteeseen upotettuja erbiumatomeja, jotka tuottavat valoa taajuudella, joka vastaa nykyaikaisia viestintäverkkoja.
Ja insinöörejä Massachusetts Institute of TechnologystaInstituutti käyttää perovskiitin nanokiteitä, joiden valmistus on helppo skaalata. Ne eivät kuitenkaan vaadi äärimmäistä jäähdytystä ja voivat toimia huoneenlämmössä.
Mikä on kvanttiverkko?
Kvanttitietokoneet voivat teoriassa toimiatehtäviä, joita ei voida ratkaista edes maailman tehokkaimmilla supertietokoneilla. Niitä voidaan käyttää materiaalien ja monimutkaisten järjestelmien ominaisuuksien mallintamiseen. Mutta todella merkityksellisten tulosten saavuttamiseksi tarvitsemme tehokkaan tavan yhdistää kvanttiinformaation solmut - hajautetut kvanttiprosessorit.
Koska kvanttitietokoneet ovat pohjimmiltaanpoikkeavat klassisista, tavanomaiset tiedonsiirtomenetelmät eivät sovellu niihin suoraan. Kvanttitieto on monimutkaisempaa: sen sijaan, että kubitit tallentaisivat vain arvon 0 tai 1, kuten klassisissa tietokoneissa, kubitti voi saada samanaikaisesti arvot 0 ja 1 (ilmiö tunnetaan nimellä superpositio).
Ihanteellinen ratkaisu on kvanttiverkko −yhdiste, jossa suoritetaan suora tiedonvaihto kubitit säilyttäen kvanttimekaaniset ominaisuudet. Kvanttiverkko yhdistää prosessointisolmut fotoneihin, jotka kulkevat erityisten yhteenliitäntöjen kautta, joita kutsutaan aaltoputkiksi.
Tällaisen yhteyden etuna on sekvanttilaitteet kommunikoivat suoraan, mikä mahdollistaa nopeamman tiedonkäsittelyn. Lisäksi tällaisia verkkoja voidaan käyttää turvalliseen tiedonsiirtoon: heti kun hyökkääjä yrittää siepata fotoneihin "koodattua" tietoa, hiukkasten kvanttiominaisuudet katoavat ja data muuttuu käyttökelvottomaksi.
Erbiumatomit piikiteessä
Piikiteeseen perustuva kvanttiresonaattori. Kuva: MCQST
Saksalaiset insinöörit ovat kehittäneet optisenresonaattori kvanttiverkkoihin, jotka perustuvat erbiumatomeilla seostettuun piikiteeseen. Kehitys on seurausta saman ryhmän aikaisemmasta tutkimuksesta yksittäisten harvinaisten maametallien atomien sisällyttämisestä kiteiseen piin suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (noin 500 °C), jotta varmistetaan, että suuri määrä erbiumatomeja ei ryhmittyisi yhteen piihilassa.
Uudessa tutkimuksessa, jonka tuloksetOptica-lehdessä julkaistut tutkijat osoittivat, että tällaisia kiteitä käyttämällä on mahdollista tuottaa yksittäisiä fotoneja, joilla on halutut ominaisuudet. Piikiteeseen sijoitetuilla erbiumatomeilla on erinomaiset optiset ominaisuudet, tutkimuksen tekijät huomauttavat. Ne lähettävät valoa, jonka aallonpituus on 1536 nm. Tämä on lähes identtinen valon kanssa, jota käytetään tiedonsiirtoon klassisissa valokuituverkoissa.
Insinöörit ovat kehittäneet seostetun resonaattorinerbium, joka eroaa tavanomaisista malleista siinä, että se ei sisällä peilejä. Sen sijaan käytetään tavallista nanometrin kokoisia reikiä kiteisessä piissä. Tämä tarkoittaa, että koko resonaattori on vain muutaman mikronin pitkä ja sisältää vain muutamia kymmeniä erbiumatomeja. Yhdistämällä resonaattorin optiseen kuituun ja virittämällä atomit laserilla tutkijat osoittivat kyvyn lähettää yksittäisiä fotoneja halutuilla ominaisuuksilla.
Tutkijat huomauttavat kaksi tärkeintä etua,jonka he sanovat tekevän erbium-seostetusta piistä "ihanteellisen ehdokkaan kvanttiverkkojen rakentamiseen". Ensinnäkin se perustuu klassiseen materiaaliin, jota käytetään laajalti puolijohteiden tuotannossa, mikä tarkoittaa, että tarvittavien komponenttien laajamittainen luominen ei edellytä uusien monimutkaisten tuotantolaitosten luomista.
Ja toiseksi, järjestelmä toimii suhteellisenkorkea (kvanttitekniikoille) lämpötila - noin 8 K (-265 ° C). Toisin kuin järjestelmät, jotka toimivat lähellä absoluuttista nollaa, tällaiset olosuhteet on helpompi luoda jäähdyttämällä kryostaatissa nestemäisellä heliumilla.
Perovskiitit yksittäisinä fotonilähteinä
Perovskiitin nanokiteet. Kuva: MIT
MIT-tutkijat tarjoavat vaihtoehdonmateriaali kvanttiverkkojen luomiseen - perovskiitit. Tämä materiaali on jo laajalti vakiinnutettu mahdollisena vaihtoehtona piille aurinkokennoissa. Nature Photonics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa insinöörit osoittivat, että he voivat myös tuottaa identtisten fotonien virran.
Fyysikot käyttivät tutkimuksessaanlyijy-haliittiperovskiitin nanohiukkaset. Aurinkokennoissa käytetään ohuita kalvoja tästä materiaalista, ja nanohiukkasmuodossa niillä on uskomattoman korkea kryogeeninen päästönopeus, mikä erottaa ne muista kolloidisista puolijohteen nanohiukkasista. Mitä nopeammin valo säteilee, sitä todennäköisemmin lähtösignaalilla on tarkasti määritelty aaltofunktio, joka on välttämätöntä kvanttiverkoille.
Tarkistaaksesi, ovatko ne fotonejatuottaa itse asiassa halutut ominaisuudet, tutkijat suorittivat standarditestin. Siinä havaitaan kahden fotonin välinen erityinen häiriö, Hong-Wu-Mandel-ilmiö. Kokeen tulokset vahvistivat, että lähde lähettää kvanttivaloa.
Tutkijat huomauttavat, että toistaiseksi asennusta ei ole tehtyon täydellinen ja toimii häiriöittäin, mutta he ovat varmoja, että tämä voidaan voittaa sijoittamalla perovskiitit optiseen onteloon - vaikutus, joka toimii muiden materiaalien kanssa.
Samalla tutkijat huomauttavat eduntekniikka helpottaa tuotantoa. ”Syy, miksi muut lähteet ovat koherentteja, johtuu siitä, että ne on valmistettu puhtaimmista materiaaleista ja yksitellen, atomi atomilta. Joten meillä on erittäin huono skaalautuvuus ja erittäin huono toistettavuus", sanoo Alexander Kaplan, tutkimuksen toinen kirjoittaja. Sitä vastoin perovskiitin nanohiukkaset valmistetaan liuoksessa ja yksinkertaisesti kerrostetaan tukimateriaalille. Lisäksi tällaiset lähteet toimivat huoneenlämmössä eivätkä vaadi jäähdytystä.
Molemmat ehdotetut tekniikat eivät vielä olevalmis ratkaisu kvanttiverkkojen rakentamiseen. Mutta tämä on askel oikeaan suuntaan. Se, että eri tutkijaryhmät ympäri maailmaa kehittävät vaihtoehtoisia teknologioita ja yrittävät löytää suhteellisen halvan ja helposti skaalautuvan ratkaisun, viittaa siihen, että kvanttiverkot voivat pian tulla todellisuutta.
Lue lisää:
Outo kohde, joka on kuumempi kuin aurinko, yllätti tähtitieteilijät
Mongoliasta löydettiin fallosta muistuttava esine: se on noin 42 000 vuotta vanha
Aasian korkein puu löytyi: näytä miltä se näyttää
Kansikuva: C. Hohmann, MCQST