Účinky kvantovej mechaniky, vrátane prepletenia dvoch častíc (jav, pri ktorom dochádza k oddeleným stavom
Oznámili to dve nezávislé skupiny výskumníkovvytváranie zdrojov jednotlivých fotónov, ktoré sú potrebné na prenos dát v kvantovej sieti. Nemeckí vedci z Inštitútu Maxa Plancka pre kvantovú optiku a Technickej univerzity v Mníchove použili atómy erbia vložené do kremíkového kryštálu, ktoré produkujú svetlo s frekvenciou zodpovedajúcou moderným komunikačným sieťam.
A inžinieri z Massachusettského technologického inštitútuInštitút využíva perovskitové nanokryštály, ktorých výroba je ľahko škálovateľná. Nevyžadujú však extrémne chladenie a môžu pracovať pri izbovej teplote.
Čo je to kvantová sieť?
Kvantové počítače môžu teoreticky fungovaťúlohy, ktoré sa nedajú vyriešiť ani na najvýkonnejších superpočítačoch sveta. Môžu byť použité na modelovanie vlastností materiálov a zložitých systémov. Aby sme však dosiahli skutočne zmysluplné výsledky, potrebujeme efektívny spôsob prepojenia uzlov kvantových informácií – distribuované kvantové procesory.
Pretože kvantové počítače sú v podstatesa líšia od klasických, bežné metódy používané na prenos informácií nie sú na ne priamo aplikovateľné. Kvantová informácia je zložitejšia: namiesto uloženia iba hodnoty 0 alebo 1, ako v klasických počítačoch, môže qubit súčasne nadobúdať hodnoty 0 a 1 (jav známy ako superpozícia).
Ideálnym riešením je kvantová sieť −zlúčenina, v ktorej sa uskutočňuje priama výmena informačných qubitov pri zachovaní kvantových mechanických vlastností. Kvantová sieť spája procesné uzly s fotónmi, ktoré prechádzajú špeciálnymi prepojeniami známymi ako vlnovody.
Výhodou takéhoto spojenia je, žekvantové zariadenia komunikujú priamo, čo umožňuje rýchlejšie spracovanie údajov. Okrem toho sa takéto siete dajú použiť na bezpečný prenos dát: akonáhle sa útočník pokúsi zachytiť informácie „zakódované“ vo fotónoch, kvantové vlastnosti častíc sa stratia a dáta sa stanú nepoužiteľnými.
Atómy erbia v kryštáli kremíka
Kvantový rezonátor na báze kremíkového kryštálu. Obrázok: MCQST
Nemeckí inžinieri vyvinuli optikurezonátor pre kvantové siete na báze kremíkového kryštálu dopovaného atómami erbia. Vývoj nadväzuje na predchádzajúcu štúdiu rovnakej skupiny o začlenení jednotlivých atómov vzácnych zemín do kryštalického kremíka s použitím relatívne nízkej teploty (okolo 500 °C), aby sa zabezpečilo, že veľké množstvo atómov erbia sa nezhlukuje v kremíkovej mriežke.
V novej štúdii, ktorej výsledkypublikované v časopise Optica, výskumníci ukázali, že pomocou takýchto kryštálov je možné generovať jednotlivé fotóny s požadovanými vlastnosťami. Atómy erbia umiestnené v kryštáliku kremíka majú vynikajúce optické vlastnosti, poznamenávajú autori štúdie. Vyžarujú svetlo s vlnovou dĺžkou 1536 nm. To je takmer totožné so svetlom, ktoré sa používa na prenos dát v klasických optických sieťach.
Inžinieri vyvinuli dopovaný rezonátorerbium, ktoré sa od bežných prevedení líši tým, že neobsahuje zrkadlá. Namiesto toho sa používa pravidelný vzor otvorov v kryštalickom kremíku s veľkosťou nanometrov. To znamená, že celý rezonátor je dlhý len niekoľko mikrónov a obsahuje len niekoľko desiatok atómov erbia. Pripojením rezonátora k optickému vláknu a excitáciou atómov laserom výskumníci preukázali, že môžu byť emitované jednotlivé fotóny s požadovanými charakteristikami.
Vedci uvádzajú dve hlavné výhody,čo podľa nich robí erbiom dopovaný kremík „ideálnym kandidátom na budovanie kvantových sietí“. Po prvé, je založený na klasickom materiáli, ktorý je široko používaný vo výrobe polovodičov, čo znamená, že veľkosériová výroba potrebných komponentov nebude vyžadovať vytváranie nových komplexných výrobných zariadení.
A po druhé, systém funguje relatívnevysoká (pre kvantové technológie) teplota - asi 8 K (-265 °C). Na rozdiel od systémov pracujúcich blízko absolútnej nuly sa takéto podmienky ľahšie vytvárajú chladením v kryostate s tekutým héliom.
Perovskity ako zdroje jedného fotónu
Nanokryštály perovskitu. Obrázok: MIT
Výskumníci z MIT navrhujú alternatívuMateriálom na vytváranie kvantových sietí sú perovskity. Tento materiál sa už široko etabloval ako potenciálna alternatíva kremíka v solárnych článkoch. V štúdii publikovanej v časopise Nature Photonics inžinieri ukázali, že môžu tiež generovať prúd identických fotónov.
Na svoje štúdium fyzici použilinanočastice halit perovskitu olovnatého. Fotovoltaické články využívajú tenké vrstvy tohto materiálu a vo forme nanočastíc majú neskutočne vysokú mieru kryogénneho žiarenia, čím sa odlišujú od ostatných koloidných polovodičových nanočastíc. Čím rýchlejšie je svetlo vyžarované, tým je pravdepodobnejšie, že výstupný signál bude mať dobre definovanú vlnovú funkciu, ktorá je nevyhnutná pre kvantové siete.
Ak chcete skontrolovať, či sú to fotónygenerovať skutočne majú požadované vlastnosti, vedci vykonali štandardný test. Spočíva v detekcii špeciálneho druhu interferencie medzi dvoma fotónmi, efektu Hong-Wu-Mandela. Výsledky experimentu potvrdili, že zdroj vyžaruje kvantové svetlo.
Výskumníci poznamenávajú, že zatiaľ inštalácia nieje perfektný a pracuje s interferenciou, ale sú si istí, že to možno prekonať umiestnením perovskitov do optickej dutiny – efekt, ktorý funguje aj s inými materiálmi.
Výskumníci zároveň zaznamenávajú výhodutechnológia v jednoduchosti výroby. „Dôvod, prečo sú ostatné zdroje koherentné, je ten, že sú vyrobené z najčistejších materiálov a jeden po druhom, atóm po atóme. Takže máme veľmi slabú škálovateľnosť a veľmi slabú reprodukovateľnosť,“ hovorí Alexander Kaplan, spoluautor štúdie. Naproti tomu nanočastice perovskitu sa vyrábajú v roztoku a jednoducho sa aplikujú na podkladový materiál. Okrem toho takéto zdroje pracujú pri izbovej teplote a nevyžadujú chladenie.
Obe navrhované technológie ešte nie súhotové riešenie na budovanie kvantových sietí. Ale toto je krok správnym smerom. Skutočnosť, že rôzne skupiny výskumníkov po celom svete vyvíjajú alternatívne technológie a snažia sa nájsť riešenie, ktoré je relatívne lacné a ľahko škálovateľné, naznačuje, že kvantové siete sa môžu čoskoro stať realitou.
Čítaj viac:
Podivný objekt teplejší ako Slnko astronómov prekvapil
V Mongolsku bol nájdený artefakt pripomínajúci falus: je starý asi 42 000 rokov
Našiel sa najvyšší strom v Ázii: ukáž, ako vyzerá
Titulný obrázok: C. Hohmann, MCQST