Efekty mechaniki kwantowej, w tym splątanie dwóch cząstek (zjawisko polegające na rozdzieleniu stanów
Ogłosiły to dwie niezależne grupy badaczytworzenie źródeł pojedynczych fotonów niezbędnych do transmisji danych w sieci kwantowej. Niemieccy naukowcy z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka i Politechniki w Monachium wykorzystali atomy erbu osadzone w krysztale krzemu, które wytwarzają światło o częstotliwości odpowiadającej nowoczesnym sieciom komunikacyjnym.
Oraz inżynierowie z Massachusetts Institute of TechnologyInstytut wykorzystuje nanokryształy perowskitu, których produkcja jest łatwa do skalowania. Nie wymagają jednak ekstremalnego chłodzenia i mogą pracować w temperaturze pokojowej.
Co to jest sieć kwantowa?
Komputery kwantowe teoretycznie mogą działaćzadania, których nie da się rozwiązać nawet na najpotężniejszych superkomputerach świata. Można je wykorzystać do modelowania właściwości materiałów i złożonych układów. Aby jednak osiągnąć naprawdę znaczące wyniki, potrzebujemy skutecznego sposobu łączenia węzłów informacji kwantowej – rozproszonych procesorów kwantowych.
Ponieważ komputery kwantowe są zasadniczoróżnią się od klasycznych, zwykłe metody stosowane do przekazywania informacji nie mają do nich bezpośredniego zastosowania. Informacja kwantowa jest bardziej złożona: zamiast przechowywać tylko wartość 0 lub 1, jak w klasycznych komputerach, kubit może jednocześnie przyjmować wartości 0 i 1 (zjawisko znane jako superpozycja).
Idealnym rozwiązaniem jest sieć kwantowa −związek, w którym odbywa się bezpośrednia wymiana kubitów informacyjnych z zachowaniem właściwości mechaniki kwantowej. Sieć kwantowa łączy węzły przetwarzające z fotonami, które przechodzą przez specjalne połączenia zwane falowodami.
Zaletą takiego połączenia jest tourządzenia kwantowe komunikują się bezpośrednio, umożliwiając szybsze przetwarzanie danych. Ponadto takie sieci można wykorzystać do bezpiecznej transmisji danych: gdy tylko atakujący spróbuje przechwycić informację „zakodowaną” w fotonach, właściwości kwantowe cząstek zostaną utracone, a dane staną się bezużyteczne.
Atomy erbu w krysztale krzemu
Rezonator kwantowy oparty na krysztale krzemu. Zdjęcie: MCQST
Niemieccy inżynierowie opracowali układ optycznyrezonator dla sieci kwantowych oparty na krysztale krzemu domieszkowanym atomami erbu. Opracowanie to jest następstwem wcześniejszych badań przeprowadzonych przez tę samą grupę, dotyczących włączania pojedynczych atomów pierwiastków ziem rzadkich do krystalicznego krzemu przy użyciu stosunkowo niskiej temperatury (około 500°C), aby zapewnić, że duża liczba atomów erbu nie skupi się razem w siatce krzemowej.
W nowym badaniu, którego wynikiopublikowanych w czasopiśmie Optica naukowcy wykazali, że przy użyciu takich kryształów można generować pojedyncze fotony o pożądanych właściwościach. Atomy erbu umieszczone w krysztale krzemu mają doskonałe właściwości optyczne – zauważają autorzy badania. Emitują światło o długości fali 1536 nm. Jest to niemal identyczne światło, jakie wykorzystuje się do przesyłania danych w klasycznych sieciach światłowodowych.
Inżynierowie opracowali domieszkowany rezonatorerb, który różni się od konwencjonalnych konstrukcji tym, że nie zawiera lusterek. Zamiast tego stosuje się regularny wzór otworów wielkości nanometrów w krystalicznym krzemie. Oznacza to, że cały rezonator ma tylko kilka mikronów długości i zawiera tylko kilkadziesiąt atomów erbu. Podłączając rezonator do światłowodu i wzbudzając atomy za pomocą lasera, badacze wykazali, że mogą być emitowane pojedyncze fotony o pożądanych właściwościach.
Naukowcy zauważają dwie główne korzyści:co ich zdaniem sprawia, że krzem domieszkowany erbem jest „idealnym kandydatem do budowy sieci kwantowych”. Po pierwsze, opiera się na klasycznym materiale, który jest szeroko stosowany w produkcji półprzewodników, co oznacza, że tworzenie na dużą skalę niezbędnych komponentów nie będzie wymagało tworzenia nowych, skomplikowanych zakładów produkcyjnych.
Po drugie, system działa stosunkowowysoka (dla technologii kwantowych) temperatura - około 8 K (-265°C). W przeciwieństwie do systemów pracujących w pobliżu zera absolutnego, takie warunki można łatwiej stworzyć poprzez chłodzenie w kriostacie ciekłego helu.
Perowskity jako źródła pojedynczych fotonów
Nanokryształy perowskitu. Zdjęcie: MIT
Badacze z MIT proponują alternatywęMateriałem do tworzenia sieci kwantowych są perowskity. Materiał ten zyskał już szerokie uznanie jako potencjalna alternatywa dla krzemu w ogniwach słonecznych. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature Photonics inżynierowie wykazali, że mogą również generować strumień identycznych fotonów.
Do swoich badań wykorzystali fizycynanocząstki perowskitu halitowo-ołowiowego. Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują cienkie warstwy tego materiału i w postaci nanocząstek charakteryzują się niewiarygodnie wysokim współczynnikiem promieniowania kriogenicznego, co odróżnia je od innych koloidalnych nanocząstek półprzewodnikowych. Im szybciej emitowane jest światło, tym większe jest prawdopodobieństwo, że sygnał wyjściowy będzie miał dobrze zdefiniowaną funkcję falową, która jest niezbędna w sieciach kwantowych.
Aby sprawdzić, czy są to fotonygenerowane naprawdę mają pożądane właściwości, naukowcy przeprowadzili standardowy test. Polega na wykryciu szczególnego rodzaju interferencji pomiędzy dwoma fotonami, efektu Honga-Wu-Mandeli. Wyniki eksperymentu potwierdziły, że źródło emituje światło kwantowe.
Naukowcy zauważają, że do tej pory instalacja tego nie zrobiłajest doskonały i działa z zakłóceniami, ale firma jest pewna, że można temu zaradzić, umieszczając perowskity we wnęce optycznej — efekt ten działa również w przypadku innych materiałów.
Jednocześnie badacze zauważają zaletętechnologii w łatwości produkcji. „Powodem, dla którego inne źródła są spójne, jest to, że są wykonane z najczystszych materiałów, jedno po drugim, atom po atomie. Mamy zatem bardzo słabą skalowalność i bardzo słabą odtwarzalność” – mówi Alexander Kaplan, współautor badania. Natomiast nanocząstki perowskitu wytwarza się w roztworze i po prostu nakłada na materiał podłoża. Ponadto takie źródła działają w temperaturze pokojowej i nie wymagają chłodzenia.
Obie proponowane technologie jeszcze nie sągotowe rozwiązanie do budowy sieci kwantowych. Ale to jest krok we właściwym kierunku. Fakt, że różne grupy badaczy na całym świecie opracowują alternatywne technologie i próbują znaleźć rozwiązanie, które jest stosunkowo tanie i łatwe w skalowaniu, sugeruje, że sieci kwantowe mogą wkrótce stać się rzeczywistością.
Czytaj więcej:
Dziwny obiekt gorętszy od Słońca zaskoczył astronomów
Artefakt przypominający fallusa został znaleziony w Mongolii: ma około 42 000 lat
Znaleziono najwyższe drzewo w Azji: pokaż, jak wygląda
Zdjęcie na okładce: C. Hohmann, MCQST