Učinci kvantne mehanike, uključujući isprepletenost dviju čestica (fenomen u kojem odvojena stanja
Objavile su se dvije neovisne skupine istraživačastvaranje izvora pojedinačnih fotona koji su potrebni za prijenos podataka u kvantnoj mreži. Njemački istraživači s Instituta Max Planck za kvantnu optiku i Tehničkog sveučilišta u Münchenu koristili su atome erbija ugrađene u kristal silicija, koji proizvode svjetlost frekvencije koja odgovara modernim komunikacijskim mrežama.
I inženjeri s Massachusetts Institute of TechnologyInstitut koristi nanokristale perovskita, čiju je proizvodnju lako mjeriti. Međutim, ne zahtijevaju ekstremno hlađenje i mogu raditi na sobnoj temperaturi.
Što je kvantna mreža?
Kvantna računala teoretski mogu izvestizadaci koji se ne mogu riješiti ni na najjačim superračunalima na svijetu. Mogu se koristiti za modeliranje svojstava materijala i složenih sustava. Ali da bismo postigli istinski značajne rezultate, potreban nam je učinkovit način povezivanja čvorova kvantnih informacija - distribuirani kvantni procesori.
Budući da su kvantna računala temeljnorazlikuju od klasičnih, uobičajeni načini prijenosa informacija nisu izravno primjenjivi na njih. Kvantne informacije su složenije: umjesto pohranjivanja samo vrijednosti 0 ili 1, kao u klasičnim računalima, qubit može istovremeno poprimiti vrijednosti 0 i 1 (fenomen poznat kao superpozicija).
Idealno rješenje je kvantna mreža −spoj u kojem se provodi izravna razmjena informacijskih kubita uz očuvanje kvantno mehaničkih svojstava. Kvantna mreža povezuje procesne čvorove s fotonima koji prolaze kroz posebne međuveze poznate kao valovod.
Prednost ovakvog povezivanja je u tome štokvantni uređaji komuniciraju izravno, omogućujući bržu obradu podataka. Osim toga, takve mreže mogu se koristiti za siguran prijenos podataka: čim napadač pokuša presresti informacije "kodirane" u fotonima, izgubit će se kvantna svojstva čestica, a podaci će postati neupotrebljivi.
Atomi erbija u kristalu silicija
Kvantni rezonator na bazi kristala silicija. Slika: MCQST
Njemački inženjeri razvili su optičkirezonator za kvantne mreže temeljen na kristalu silicija dopiranom atomima erbija. Razvoj slijedi prethodnu studiju iste skupine o ugradnji pojedinačnih atoma rijetke zemlje u kristalni silicij korištenjem relativno niske temperature (oko 500°C) kako bi se osiguralo da se veliki broj atoma erbija ne grupira zajedno u silicijskoj rešetki.
U novoj studiji čiji rezultatiobjavljenom u časopisu Optica, istraživači su pokazali da je pomoću takvih kristala moguće generirati pojedinačne fotone sa željenim svojstvima. Atomi erbija smješteni u kristal silicija imaju izvrsna optička svojstva, napominju autori studije. Emitiraju svjetlost valne duljine 1536 nm. To je gotovo identično svjetlu koje se koristi za prijenos podataka u klasičnim svjetlovodnim mrežama.
Inženjeri su razvili dopirani rezonatorerbij, koji se od konvencionalnih dizajna razlikuje po tome što ne sadrži zrcala. Umjesto toga, koristi se pravilan uzorak rupa nanometarske veličine u kristalnom siliciju. To znači da je cijeli rezonator dugačak samo nekoliko mikrona i sadrži samo nekoliko desetaka atoma erbija. Spajanjem rezonatora na optičko vlakno i pobuđivanjem atoma laserom, istraživači su pokazali da se mogu emitirati pojedinačni fotoni željenih karakteristika.
Istraživači ističu dvije glavne prednosti,za što kažu da čini silicij dopiran erbijem "idealnim kandidatom za izgradnju kvantnih mreža". Prvo, temelji se na klasičnom materijalu koji se naširoko koristi u proizvodnji poluvodiča, što znači da stvaranje potrebnih komponenti u velikim razmjerima neće zahtijevati stvaranje novih složenih proizvodnih pogona.
I drugo, sustav radi relativnovisoka (za kvantne tehnologije) temperatura - oko 8 K (-265 °C). Za razliku od sustava koji rade blizu apsolutne nule, takve uvjete lakše je stvoriti hlađenjem u kriostatu s tekućim helijem.
Perovskiti kao izvori pojedinačnih fotona
Nanokristali perovskita. Slika: MIT
Istraživači MIT-a predlažu alternativuMaterijal za stvaranje kvantnih mreža su perovskiti. Ovaj se materijal već uvelike etablirao kao potencijalna alternativa siliciju u solarnim ćelijama. U studiji objavljenoj u časopisu Nature Photonics, inženjeri su pokazali da također mogu generirati struju identičnih fotona.
Za svoje proučavanje fizičari su koristilinanočestice olova halita perovskita. Fotonaponske ćelije koriste tanke filmove ovog materijala, au obliku nanočestica imaju nevjerojatno visoku stopu kriogenog zračenja, što ih razlikuje od ostalih koloidnih poluvodičkih nanočestica. Što se svjetlost brže emitira, veća je vjerojatnost da će izlazni signal imati dobro definiranu valnu funkciju, što je bitno za kvantne mreže.
Da provjerim jesu li fotoniGenerate stvarno imaju željena svojstva, istraživači su proveli standardni test. Sastoji se od otkrivanja posebne vrste interferencije između dva fotona, Hong-Wu-Mandela efekta. Rezultati eksperimenta potvrdili su da izvor emitira kvantnu svjetlost.
Istraživači napominju da do sada instalacija nijeje savršen i djeluje uz smetnje, no uvjereni su da se to može prevladati stavljanjem perovskita u optičku šupljinu - učinak koji funkcionira s drugim materijalima.
Istodobno, istraživači bilježe prednosttehnologija u jednostavnosti proizvodnje. “Razlog zašto su drugi izvori koherentni je taj što su napravljeni od najčišćih materijala i jedan za drugim, atom po atom. Dakle, imamo vrlo lošu skalabilnost i vrlo lošu ponovljivost,” kaže Alexander Kaplan, koautor studije. Nasuprot tome, nanočestice perovskita izrađuju se u otopini i jednostavno nanose na materijal supstrata. Osim toga, takvi izvori rade na sobnoj temperaturi i ne zahtijevaju hlađenje.
Obje predložene tehnologije još nisugotovo rješenje za izgradnju kvantnih mreža. Ali ovo je korak u pravom smjeru. Činjenica da različite skupine istraživača diljem svijeta razvijaju alternativne tehnologije i pokušavaju pronaći rješenje koje je relativno jeftino i jednostavno za skaliranje sugerira da bi kvantne mreže uskoro mogle postati stvarnost.
Čitaj više:
Neobičan objekt topliji od Sunca iznenadio je astronome
U Mongoliji pronađen artefakt nalik na falus: star je oko 42.000 godina
Pronađeno je najviše drvo u Aziji: pokažite kako izgleda
Naslovna slika: C. Hohmann, MCQST