Эффекты квантовой механики, в том числе запутанность двух частиц (явление, при котором отдельные состояния
To uavhengige grupper av forskere har annonsertskape kilder til enkeltfotoner som er nødvendige for dataoverføring i et kvantenettverk. Tyske forskere fra Max Planck Institute for Quantum Optics og det tekniske universitetet i München brukte erbium-atomer innebygd i en silisiumkrystall, som produserer lys med en frekvens som tilsvarer moderne kommunikasjonsnettverk.
Og ingeniører fra Massachusetts Institute of TechnologyInstituttet bruker perovskitt nanokrystaller, produksjonen av disse er lett å skalere. De krever imidlertid ikke ekstrem kjøling og kan fungere ved romtemperatur.
Hva er et kvantenettverk?
Kvantedatamaskiner kan teoretisk prestereoppgaver som ikke kan løses selv på de kraftigste superdatamaskinene i verden. De kan brukes til å modellere egenskapene til materialer og komplekse systemer. Men for å oppnå virkelig meningsfulle resultater, trenger vi en effektiv måte å koble sammen noder med kvanteinformasjon – distribuerte kvanteprosessorer.
Fordi kvantedatamaskiner er grunnleggendeskiller seg fra klassiske, de vanlige metodene som brukes til å overføre informasjon er ikke direkte anvendelige for dem. Kvanteinformasjon er mer kompleks: i stedet for å lagre bare verdien 0 eller 1, som i klassiske datamaskiner, kan en qubit samtidig ta på seg verdiene 0 og 1 (et fenomen kjent som superposisjon).
Den ideelle løsningen er et kvantenettverk −en forbindelse der en direkte utveksling av informasjon qubits utføres med bevaring av kvantemekaniske egenskaper. Kvantenettverket forbinder prosesseringsnodene med fotoner som passerer gjennom spesielle sammenkoblinger kjent som bølgeledere.
Fordelen med en slik forbindelse er atkvanteenheter kommuniserer direkte, noe som muliggjør raskere databehandling. I tillegg kan slike nettverk brukes til sikker dataoverføring: så snart en angriper prøver å fange opp informasjonen "kodet" i fotoner, vil kvanteegenskapene til partiklene gå tapt, og dataene vil bli ubrukelige.
Erbiumatomer i en silisiumkrystall
Kvanteresonator basert på en silisiumkrystall. Bilde: MCQST
Tyske ingeniører har utviklet en optisken resonator for kvantenettverk basert på en silisiumkrystall dopet med erbiumatomer. Utviklingen følger en tidligere studie av samme gruppe om å inkorporere individuelle sjeldne jordartsatomer i krystallinsk silisium ved å bruke en relativt lav temperatur (rundt 500 °C) for å sikre at et stort antall erbiumatomer ikke klynger seg sammen i silisiumgitteret.
I en ny studie hvis resultaterpublisert i tidsskriftet Optica viste forskerne at ved bruk av slike krystaller er det mulig å generere enkeltfotoner med ønskede egenskaper. Erbiumatomer plassert i en silisiumkrystall har utmerkede optiske egenskaper, noterer forfatterne av studien. De sender ut lys med en bølgelengde på 1536 nm. Dette er nesten identisk med lyset som brukes til å overføre data i klassiske fiberoptiske nettverk.
Ingeniører har utviklet en resonator dopeterbium, som skiller seg fra konvensjonelle design ved at det ikke inneholder speil. I stedet brukes et vanlig mønster av nanometerstore hull i krystallinsk silisium. Dette betyr at hele resonatoren bare er noen få mikron lang og inneholder bare noen få titalls erbiumatomer. Ved å koble en resonator til en optisk fiber og eksitere atomer med en laser, demonstrerte forskerne at individuelle fotoner med ønskede egenskaper kan sendes ut.
Forskere bemerker to hovedfordeler,som de sier gjør erbium-dopet silisium "en ideell kandidat for å bygge kvantenettverk." For det første er det basert på et klassisk materiale som er mye brukt i halvlederproduksjon, noe som betyr at storskala opprettelse av de nødvendige komponentene ikke vil kreve opprettelse av nye komplekse produksjonsanlegg.
Og for det andre opererer systemet på relativthøy (for kvanteteknologier) temperatur - ca. 8 K (-265 °C). I motsetning til systemer som opererer nær absolutt null, er slike forhold lettere å skape ved avkjøling i en flytende heliumkryostat.
Perovskitter som enkeltfotonkilder
Perovskitt nanokrystaller. Bilde: MIT
MIT-forskere foreslår et alternativMaterialet for å lage kvantenettverk er perovskitter. Dette materialet har allerede bredt etablert seg som et potensielt alternativ til silisium i solceller. I en studie publisert i tidsskriftet Nature Photonics, viste ingeniørene at de også kunne generere en strøm av identiske fotoner.
For sine studier brukte fysikerenanopartikler av blyhalittperovskitt. Fotovoltaiske celler bruker tynne filmer av dette materialet, og i form av nanopartikler har de en utrolig høy grad av kryogen stråling, noe som skiller dem fra andre kolloidale halvledernanopartikler. Jo raskere lys som sendes ut, jo mer sannsynlig er det at utgangssignalet vil ha en veldefinert bølgefunksjon, noe som er essensielt for kvantenettverk.
For å sjekke at fotonene de ergenerere virkelig har de ønskede egenskapene, utførte forskerne en standardtest. Den består i å oppdage en spesiell type interferens mellom to fotoner, Hong-Wu-Mandela-effekten. Resultatene av eksperimentet bekreftet at kilden sender ut kvantelys.
Forskerne bemerker at installasjonen så langt ikke har gjort deter perfekt og fungerer med interferens, men de er sikre på at dette kan overvinnes ved å plassere perovskitter i et optisk hulrom – en effekt som fungerer med andre materialer.
Samtidig bemerker forskere fordelenteknologi for enkel produksjon. "Grunnen til at andre kilder er sammenhengende er fordi de er laget av de reneste materialene og den ene etter den andre, atom for atom. Så vi har veldig dårlig skalerbarhet og veldig dårlig reproduserbarhet, sier Alexander Kaplan, medforfatter av studien. Derimot er perovskitt-nanopartikler laget i løsning og enkelt påført et substratmateriale. I tillegg fungerer slike kilder ved romtemperatur og krever ikke kjøling.
Begge de foreslåtte teknologiene er ikke ennåen ferdig løsning for å bygge kvantenettverk. Men dette er et skritt i riktig retning. Det faktum at ulike grupper av forskere rundt om i verden utvikler alternative teknologier og prøver å finne en løsning som er relativt billig og enkel å skalere, antyder at kvantenettverk snart kan bli en realitet.
Les mer:
Et merkelig objekt varmere enn solen overrasket astronomene
En artefakt som ligner en fallus ble funnet i Mongolia: den er omtrent 42 000 år gammel
Fant det høyeste treet i Asia: vis hvordan det ser ut
Forsidebilde: C. Hohmann, MCQST