Efectele mecanicii cuantice, inclusiv încurcarea a două particule (un fenomen în care stări separate
Două grupuri independente de cercetători au anunțatcrearea de surse de fotoni unici care sunt necesari pentru transmiterea datelor într-o rețea cuantică. Cercetătorii germani de la Institutul de Optică Cuantică Max Planck și de la Universitatea Tehnică din München au folosit atomi de erbiu încorporați într-un cristal de siliciu, care produc lumină cu o frecvență corespunzătoare rețelelor de comunicații moderne.
Și ingineri de la Institutul de Tehnologie din MassachusettsInstitutul folosește nanocristale de perovskit, a căror producție este ușor de scalat. Cu toate acestea, nu necesită răcire extremă și pot funcționa la temperatura camerei.
Ce este o rețea cuantică?
Calculatoarele cuantice ar putea funcționa teoreticprobleme care nu pot fi rezolvate nici măcar pe cele mai puternice supercalculatoare din lume. Ele pot fi folosite pentru a modela proprietățile materialelor și sistemelor complexe. Dar pentru a obține rezultate cu adevărat semnificative, avem nevoie de o modalitate eficientă de a conecta nodurile de informații cuantice - procesoare cuantice distribuite.
Pentru că calculatoarele cuantice sunt fundamentaldiferă de cele clasice, metodele uzuale folosite pentru transmiterea informaţiei nu sunt direct aplicabile acestora. Informația cuantică este mai complexă: în loc să stocheze doar valoarea 0 sau 1, ca în computerele clasice, un qubit poate prelua simultan valorile 0 și 1 (fenomen cunoscut sub numele de suprapunere).
Soluția ideală este o rețea cuantică -o conexiune în care qubiții de informații sunt schimbate direct, păstrând în același timp proprietățile mecanice cuantice. O rețea cuantică leagă nodurile de procesare folosind fotoni care trec prin interconexiuni speciale cunoscute sub numele de ghiduri de undă.
Avantajul acestei conexiuni este căDispozitivele Quantum comunică direct, permițând o procesare mai rapidă a datelor. În plus, astfel de rețele pot fi folosite pentru transmiterea securizată a datelor: de îndată ce un atacator încearcă să intercepteze informațiile „codificate” în fotoni, proprietățile cuantice ale particulelor se vor pierde și datele vor deveni inutilizabile.
Atomi de erbiu într-un cristal de siliciu
Rezonator cuantic bazat pe cristal de siliciu. Imagine: MCQST
Inginerii germani au dezvoltat o opticăun rezonator pentru rețele cuantice bazat pe un cristal de siliciu dopat cu atomi de erbiu. Dezvoltarea urmează cercetărilor anterioare ale aceluiași grup privind încorporarea atomilor individuali de pământuri rare în siliciul cristalin, folosind o temperatură relativ scăzută (aproximativ 500 ° C) pentru a se asigura că un număr mare de atomi de erbiu nu se grupează în rețeaua de siliciu.
Într-un nou studiu, ale cărui rezultatepublicate în revista Optica, cercetătorii au arătat că folosind astfel de cristale este posibil să se genereze fotoni unici cu proprietățile dorite. Atomii de erbiu plasați într-un cristal de siliciu au proprietăți optice excelente, notează autorii studiului. Ei emit lumină cu o lungime de undă de 1536 nm. Aceasta este aproape identică cu lumina folosită pentru transmiterea datelor în rețelele clasice de fibră optică.
Inginerii au dezvoltat un rezonator dopaterbiu, care diferă de modelele convenționale prin faptul că nu conține oglinzi. În schimb, se folosește un model obișnuit de găuri de dimensiuni nanometrice în siliciul cristalin. Aceasta înseamnă că întregul rezonator are doar câțiva microni lungime și conține doar câteva zeci de atomi de erbiu. Conectând un rezonator la o fibră optică și excitând atomii cu un laser, cercetătorii au demonstrat capacitatea de a emite fotoni individuali cu caracteristicile dorite.
Cercetătorii notează două beneficii principale,despre care spun ei, siliciul dopat cu erbiu este „un candidat ideal pentru construirea de rețele cuantice”. În primul rând, se bazează pe un material clasic care este utilizat pe scară largă în producția de semiconductori, ceea ce înseamnă că crearea la scară largă a componentelor necesare nu va necesita crearea de noi unități de producție complexe.
Și în al doilea rând, sistemul funcționează relativ latemperatură ridicată (pentru tehnologii cuantice) - aproximativ 8 K (-265 ° C). Spre deosebire de sistemele care funcționează aproape de zero absolut, astfel de condiții sunt mai ușor de creat prin răcirea într-un criostat cu heliu lichid.
Perovskiții ca surse de fotoni unici
Nanocristale de perovskit. Imagine: MIT
Cercetătorii MIT oferă o alternativămaterial pentru crearea rețelelor cuantice - perovskiți. Acest material a fost deja stabilit pe scară largă ca o alternativă potențială la siliciul din celulele solare. Într-un studiu publicat în revista Nature Photonics, inginerii au arătat că pot genera și un flux de fotoni identici.
Pentru cercetările lor, fizicienii au folositnanoparticule de perovskit plumb-halit. Celulele solare folosesc pelicule subțiri din acest material și, sub formă de nanoparticule, au rate de emisie criogenică incredibil de ridicate, ceea ce le diferențiază de alte nanoparticule semiconductoare coloidale. Cu cât lumina este emisă mai repede, cu atât este mai probabil ca semnalul de ieșire să aibă o funcție de undă bine definită, care este necesară pentru rețelele cuantice.
Pentru a verifica dacă fotonii suntgenerează, au de fapt proprietățile dorite, cercetătorii au efectuat un test standard. Constă în detectarea unui tip special de interferență între doi fotoni, efectul Hong-Wu-Mandel. Rezultatele experimentului au confirmat că sursa emite lumină cuantică.
Cercetătorii notează că până acum instalația nu a făcut-oeste perfectă și funcționează cu interferențe, dar sunt încrezători că acest lucru poate fi depășit prin plasarea perovskiților într-o cavitate optică - un efect care funcționează cu alte materiale.
În același timp, cercetătorii notează avantajultehnologie în ușurința producției. „Motivul pentru care alte surse sunt coerente este pentru că sunt făcute din cele mai pure materiale și una câte una, atom cu atom. Deci avem o scalabilitate foarte slabă și o reproductibilitate foarte slabă”, spune Alexander Kaplan, coautor al studiului. În schimb, nanoparticulele de perovskit sunt făcute în soluție și pur și simplu depuse pe un material suport. În plus, astfel de surse funcționează la temperatura camerei și nu necesită răcire.
Ambele tehnologii propuse nu sunt încăo soluție gata făcută pentru construirea de rețele cuantice. Dar acesta este un pas în direcția corectă. Faptul că diferite grupuri de cercetători din întreaga lume dezvoltă tehnologii alternative și încearcă să găsească o soluție relativ ieftină și ușor de scalat sugerează că rețelele cuantice ar putea deveni în curând o realitate.
Citeste mai mult:
Un obiect ciudat mai fierbinte decât Soarele i-a surprins pe astronomi
Un artefact asemănător unui falus a fost găsit în Mongolia: are aproximativ 42.000 de ani
Am găsit cel mai înalt copac din Asia: arată cum arată
Imagine de copertă: C. Hohmann, MCQST