Effetti della meccanica quantistica, incluso l'entanglement di due particelle (un fenomeno in cui stati separati
Две независимые группы исследователей объявили о creando sorgenti di singoli fotoni necessari per la trasmissione dei dati in una rete quantistica. Ricercatori tedeschi dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica e dell'Università tecnica di Monaco hanno utilizzato atomi di erbio incorporati in un cristallo di silicio, che producono luce con una frequenza corrispondente alle moderne reti di comunicazione.
E ingegneri del Massachusetts Institute of TechnologyL'istituto utilizza nanocristalli di perovskite, la cui produzione è facile da scalare. Tuttavia, non richiedono un raffreddamento estremo e possono funzionare a temperatura ambiente.
Cos'è una rete quantistica?
I computer quantistici possono teoricamente funzionarecompiti che non possono essere risolti nemmeno sui supercomputer più potenti del mondo. Possono essere utilizzati per modellare le proprietà dei materiali e dei sistemi complessi. Ma per ottenere risultati veramente significativi, abbiamo bisogno di un modo efficiente per connettere nodi di informazioni quantistiche: processori quantistici distribuiti.
Perché i computer quantistici sono fondamentalmentedifferiscono da quelli classici, i metodi abituali utilizzati per trasmettere le informazioni non sono direttamente applicabili ad essi. L'informazione quantistica è più complessa: invece di memorizzare solo il valore 0 o 1, come nei computer classici, un qubit può assumere contemporaneamente i valori 0 e 1 (fenomeno noto come sovrapposizione).
La soluzione ideale è una rete quantistica −un composto in cui viene effettuato uno scambio diretto di qubit di informazioni con la conservazione delle proprietà quantomeccaniche. La rete quantistica collega i nodi di elaborazione con fotoni che passano attraverso speciali interconnessioni note come guide d'onda.
Il vantaggio di una tale connessione è questoi dispositivi quantistici comunicano direttamente, consentendo un'elaborazione dei dati più rapida. Inoltre, tali reti possono essere utilizzate per la trasmissione sicura dei dati: non appena un utente malintenzionato tenta di intercettare le informazioni "codificate" nei fotoni, le proprietà quantistiche delle particelle andranno perse ei dati diventeranno inutilizzabili.
Atomi di erbio in un cristallo di silicio
Risonatore quantistico basato su un cristallo di silicio. Immagine: MCQST
Gli ingegneri tedeschi hanno sviluppato un'otticaun risonatore per reti quantistiche basato su un cristallo di silicio drogato con atomi di erbio. Lo sviluppo segue uno studio precedente dello stesso gruppo sull'incorporazione di singoli atomi di terre rare nel silicio cristallino utilizzando una temperatura relativamente bassa (circa 500°C) per garantire che un gran numero di atomi di erbio non si raggruppino insieme nel reticolo di silicio.
In un nuovo studio i cui risultatipubblicato sulla rivista Optica, i ricercatori hanno dimostrato che utilizzando tali cristalli è possibile generare singoli fotoni con le proprietà desiderate. Gli atomi di erbio posti in un cristallo di silicio hanno eccellenti proprietà ottiche, notano gli autori dello studio. Emettono luce con una lunghezza d'onda di 1536 nm. Questo è quasi identico alla luce utilizzata per trasmettere i dati nelle classiche reti in fibra ottica.
Gli ingegneri hanno sviluppato un risonatore drogatoerbio, che differisce dai design convenzionali in quanto non contiene specchi. Invece, viene utilizzato uno schema regolare di fori di dimensioni nanometriche nel silicio cristallino. Ciò significa che l'intero risonatore è lungo solo pochi micron e contiene solo poche decine di atomi di erbio. Collegando un risonatore a una fibra ottica ed eccitando gli atomi con un laser, i ricercatori hanno dimostrato che possono essere emessi singoli fotoni con le caratteristiche desiderate.
I ricercatori notano due vantaggi principali,che secondo loro rende il silicio drogato con erbio “un candidato ideale per la costruzione di reti quantistiche”. In primo luogo, si basa su un materiale classico ampiamente utilizzato nella produzione di semiconduttori, il che significa che la creazione su larga scala dei componenti necessari non richiederà la creazione di nuovi complessi impianti di produzione.
E in secondo luogo, il sistema funziona relativamentetemperatura elevata (per le tecnologie quantistiche) - circa 8 K (-265 °C). A differenza dei sistemi che operano vicino allo zero assoluto, tali condizioni sono più facili da creare raffreddando in un criostato ad elio liquido.
Perovskiti come sorgenti di fotoni singoli
Nanocristalli di perovskite. Immagine: MIT
I ricercatori del MIT propongono un'alternativaIl materiale per la creazione di reti quantistiche è la perovskite. Questo materiale si è già ampiamente affermato come potenziale alternativa al silicio nelle celle solari. In uno studio pubblicato sulla rivista Nature Photonics, gli ingegneri hanno dimostrato di poter generare anche un flusso di fotoni identici.
Per il loro studio, i fisici hanno usatonanoparticelle di perovskite di alite di piombo. Le celle fotovoltaiche utilizzano film sottili di questo materiale e, sotto forma di nanoparticelle, hanno un tasso di radiazione criogenica incredibilmente elevato, che le distingue dalle altre nanoparticelle semiconduttrici colloidali. Più velocemente viene emessa la luce, più è probabile che il segnale di uscita abbia una funzione d'onda ben definita, essenziale per le reti quantistiche.
Per verificare che i fotoni sianogenerare hanno davvero le proprietà desiderate, i ricercatori hanno condotto un test standard. Consiste nel rilevare un particolare tipo di interferenza tra due fotoni, l'effetto Hong-Wu-Mandela. I risultati dell'esperimento hanno confermato che la sorgente emette luce quantistica.
I ricercatori notano che finora l'installazione non è avvenutaè perfetto e funziona con interferenze, ma sono fiduciosi che questo possa essere superato posizionando le perovskiti in una cavità ottica - un effetto che funziona con altri materiali.
Allo stesso tempo, i ricercatori notano il vantaggiotecnologia in facilità di produzione. “Il motivo per cui le altre fonti sono coerenti è perché sono realizzate con i materiali più puri e uno dopo l'altro, atomo per atomo. Quindi abbiamo una scalabilità molto scarsa e una riproducibilità molto scarsa", afferma Alexander Kaplan, coautore dello studio. Al contrario, le nanoparticelle di perovskite sono realizzate in soluzione e semplicemente applicate a un materiale di substrato. Inoltre, tali fonti funzionano a temperatura ambiente e non richiedono refrigerazione.
Entrambe le tecnologie proposte non lo sono ancorauna soluzione già pronta per costruire reti quantistiche. Ma questo è un passo nella giusta direzione. Il fatto che diversi gruppi di ricercatori in tutto il mondo stiano sviluppando tecnologie alternative e cercando di trovare una soluzione relativamente economica e facile da scalare suggerisce che le reti quantistiche potrebbero presto diventare una realtà.
Leggi di più:
Uno strano oggetto più caldo del Sole ha sorpreso gli astronomi
In Mongolia è stato trovato un manufatto simile a un fallo: ha circa 42.000 anni
Trovato l'albero più alto dell'Asia: mostra come appare
Immagine di copertina: C. Hohmann, MCQST