2つの粒子のもつれ（別々の状態が交錯する現象など）を含む量子力学の影響
2つの独立した研究者グループが発表した量子ネットワークでのデータ送信に必要な単一光子のソースを作成します。マックス プランク量子光学研究所とミュンヘン工科大学のドイツの研究者は、シリコン結晶に埋め込まれたエルビウム原子を使用しました。これは、現代の通信ネットワークに対応する周波数の光を生成します。
そしてマサチューセッツ工科大学のエンジニアたち同研究所は、生産規模の拡大が容易なペロブスカイトナノ結晶を使用している。ただし、極端な冷却は必要なく、室温で動作できます。
量子ネットワークとは何ですか?
量子コンピューターは理論的には次のことを実行できます。世界で最も強力なスーパーコンピューターでも解決できないタスク。これらは、材料や複雑なシステムの特性をモデル化するために使用できます。しかし、本当に有意義な結果を達成するには、量子情報のノードを接続する効率的な方法、つまり分散量子プロセッサが必要です。
なぜなら、量子コンピューターは基本的に古典的なものとは異なり、情報を伝達するために使用される通常の方法は直接適用できません。量子情報はより複雑です。古典的なコンピューターのように、値 0 または 1 のみを保存するのではなく、量子ビットは値 0 と 1 を同時に取ることができます (重ね合わせとして知られる現象)。
理想的なソリューションは量子ネットワークです-量子力学特性を維持しながら情報量子ビットの直接交換が実行される化合物。量子ネットワークは、導波路として知られる特別な相互接続を通過する光子で処理ノードをリンクします。
このような接続の利点は、量子デバイスは直接通信するため、より高速なデータ処理が可能になります。さらに、このようなネットワークは安全なデータ送信にも使用できます。攻撃者が光子に「エンコードされた」情報を傍受しようとするとすぐに、粒子の量子特性が失われ、データは使用できなくなります。
シリコン結晶中のエルビウム原子
シリコン結晶をベースにした量子共振器。画像: MCQST
ドイツの技術者が光学系を開発したエルビウム原子がドープされたシリコン結晶に基づく量子ネットワーク用の共振器。この開発は、多数のエルビウム原子がシリコン格子内でクラスターにならないようにするために、比較的低温（約500℃）を使用して個々の希土類原子を結晶シリコンに組み込むという同じグループによる以前の研究に続いている。
新しい研究でその結果はジャーナル「Optica」に掲載された論文で、研究者らは、そのような結晶を使用すると、望ましい特性を持つ単一光子を生成できることを示しました。シリコン結晶内に配置されたエルビウム原子は優れた光学特性を持っていると研究論文の著者らは指摘している。それらは 1536 nm の波長の光を放射します。これは、従来の光ファイバー ネットワークでデータを送信するために使用される光とほぼ同じです。
エンジニアはドープされた共振器を開発しましたエルビウムはミラーを含まないという点で従来の設計とは異なります。代わりに、結晶シリコン内のナノメートルサイズの穴の規則的なパターンが使用されます。これは、共振器全体の長さがわずか数ミクロンであり、エルビウム原子が数十個しか含まれていないことを意味します。共振器を光ファイバーに接続し、レーザーで原子を励起することで、研究者らは、所望の特性を持つ個々の光子を放出できることを実証した。
研究者は 2 つの主な利点に注目しています。そのため、エルビウムをドープしたシリコンは「量子ネットワークを構築するための理想的な候補」になると彼らは言う。まず、半導体製造で広く使用されている古典的な材料をベースにしているため、必要なコンポーネントを大規模に作成するのに、新しい複雑な製造施設を作成する必要がありません。
そして第二に、システムは比較的高い速度で動作します。高温 (量子技術の場合) - 約 8 K (-265 °C)。絶対零度付近で動作するシステムとは異なり、このような状態は液体ヘリウムクライオスタットで冷却することで簡単に作り出すことができます。
単一光子源としてのペロブスカイト
ペロブスカイトナノ結晶。画像: MIT
MITの研究者が代替案を提案量子ネットワークを作る材料はペロブスカイトです。この材料は、太陽電池におけるシリコンの潜在的な代替品としてすでに広く確立されています。 Nature Photonics誌に掲載された研究で、エンジニアらは同一の光子のストリームも生成できることを示した。
物理学者は研究のために使用した鉛岩塩ペロブスカイトのナノ粒子。太陽電池はこの材料の薄膜を使用しており、ナノ粒子の形態では信じられないほど高い低温放射率を持っており、これが他のコロイド半導体ナノ粒子とは区別されます。光の放出が速いほど、出力信号が明確に定義された波動関数を持つ可能性が高くなります。これは量子ネットワークにとって不可欠です。
フォトンであることを確認するには生成されたものが本当に望ましい特性を持っているかどうかを確認するために、研究者は標準的なテストを実施しました。それは、2 つの光子間の特別な種類の干渉、Hong-Wu-Mandela 効果を検出することにあります。実験の結果、この光源が量子光を放出していることが確認されました。
研究者らは、これまでのところ設置はまだ行われていないと指摘している。は完璧であり、干渉に対しても機能しますが、光学キャビティ内にペロブスカイトを配置することでこの問題を克服できると確信しています。この効果は他の材料でも機能します。
同時に、研究者らは次の利点にも注目しています。製造の容易さにおける技術。 「他の情報源が一貫性を持っている理由は、それらが最も純粋な材料から原子ごとに次々と作られているからです。したがって、拡張性と再現性が非常に低いのです」と、この研究の共著者であるアレクサンダー・カプラン氏は言います。対照的に、ペロブスカイト ナノ粒子は溶液中で作成され、基板材料に塗布されるだけです。さらに、そのようなソースは室温で動作するため、冷却を必要としません。
提案されている両方のテクノロジーはまだ実現されていません量子ネットワークを構築するための既製のソリューション。しかし、これは正しい方向への一歩です。世界中のさまざまな研究者グループが代替技術を開発し、比較的安価で拡張が容易なソリューションを見つけようとしているという事実は、量子ネットワークが間もなく現実になる可能性を示唆しています。
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カバー画像: C. Hohmann、MCQST