"Ideala" källor till fotoner för ett kvantnätverk: ingenjörer föreslog alternativa system

Effekter av kvantmekanik, inklusive intrassling av två partiklar (ett fenomen där separata tillstånd

två fördelade atomer eller partiklar finnsi ett ömsesidigt beroende stat) öppnar många tekniska möjligheter. En av dem är skapandet av kvantkommunikationsnätverk (och till och med kvantinternet), vilket säkerställer skyddet av överförda data från läckor och kompromisser och utbyte av information mellan kvantsystem. Ett sådant kvantnätverk kan realiseras genom att intrasslar individuella kvantinformationsbärare, qubits, med varandra med hjälp av ljus.

Två oberoende grupper av forskare har meddelatskapa källor för enskilda fotoner som är nödvändiga för dataöverföring i ett kvantnätverk. Tyska forskare från Max Planck Institute for Quantum Optics och Münchens tekniska universitet använde erbiumatomer inbäddade i en kiselkristall, som producerar ljus med en frekvens som motsvarar moderna kommunikationsnätverk. 

Och ingenjörer från Massachusetts Institute of TechnologyInstitutet använder perovskit nanokristaller, vars produktion är lätt att skala. De kräver dock ingen extrem kylning och kan fungera i rumstemperatur. 

Vad är ett kvantnät?

Kvantdatorer kan teoretiskt presterauppgifter som inte kan lösas ens på de mest kraftfulla superdatorerna i världen. De kan användas för att modellera egenskaperna hos material och komplexa system. Men för att uppnå verkligt meningsfulla resultat behöver vi ett effektivt sätt att koppla samman noder av kvantinformation - distribuerade kvantprocessorer.

Eftersom kvantdatorer är i grundenskiljer sig från klassiska, är de vanliga metoderna som används för att överföra information inte direkt tillämpliga på dem. Kvantinformation är mer komplex: istället för att bara lagra värdet 0 eller 1, som i klassiska datorer, kan en qubit samtidigt anta värdena 0 och 1 (ett fenomen som kallas superposition). 

Den idealiska lösningen är ett kvantnätverk -en anslutning där informationsqubits direkt utbyts samtidigt som kvantmekaniska egenskaper bibehålls. Ett kvantnätverk länkar samman bearbetningsnoder med hjälp av fotoner som passerar genom speciella sammankopplingar som kallas vågledare.

Fördelen med denna koppling är attQuantum-enheter kommunicerar direkt, vilket möjliggör snabbare databehandling. Dessutom kan sådana nätverk användas för säker dataöverföring: så snart en angripare försöker fånga upp informationen "kodad" i fotoner, kommer partiklarnas kvantegenskaper att gå förlorade och data kommer att bli oanvändbara.

Erbiumatomer i en kiselkristall

Kvantresonator baserad på kiselkristall. Bild: MCQST

Tyska ingenjörer har utvecklat optikresonator för kvantnätverk baserad på en kiselkristall dopad med erbiumatomer. Utvecklingen följer tidigare forskning av samma grupp om att bädda in individuella sällsynta jordartsmetaller i kristallint kisel med relativt låg temperatur (cirka 500°C) för att säkerställa att ett stort antal erbiumatomer inte klumpar ihop sig i kiselgittret.

I en ny studie, vars resultatpublicerad i tidskriften Optica, visade forskarna att med hjälp av sådana kristaller är det möjligt att generera enstaka fotoner med önskade egenskaper. Erbiumatomer placerade i en kiselkristall har utmärkta optiska egenskaper, noterar studieförfattarna. De avger ljus med en våglängd på 1536 nm. Detta är nästan identiskt med ljuset som används för att överföra data i klassiska fiberoptiska nätverk.

Ingenjörer har utvecklat en dopad resonatorerbium, som skiljer sig från konventionella konstruktioner genom att det inte innehåller speglar. Istället används ett vanligt mönster av nanometerstora hål i kristallint kisel. Det betyder att hela resonatorn bara är några mikrometer lång och innehåller bara några tiotals erbiumatomer. Genom att koppla en resonator till en optisk fiber och excitera atomerna med en laser, visade forskarna förmågan att sända ut individuella fotoner med önskade egenskaper.

Forskare noterar två huvudsakliga fördelar,vilket de säger gör erbiumdopat kisel "en idealisk kandidat för att bygga kvantnätverk." För det första är det baserat på ett klassiskt material som används flitigt i halvledarproduktion, vilket innebär att storskaligt skapande av de nödvändiga komponenterna inte kräver skapandet av nya komplexa produktionsanläggningar. 

Och för det andra fungerar systemet relativthög (för kvantteknik) temperatur - cirka 8 K (-265 ° C). Till skillnad från system som fungerar nära absolut noll är sådana förhållanden lättare att skapa genom att kyla i en kryostat med flytande helium.

Perovskiter som singelfotonkällor

Perovskite nanokristaller. Bild: MIT

MIT-forskare erbjuder ett alternativmaterial för att skapa kvantnätverk - perovskites. Detta material har redan blivit allmänt etablerat som ett potentiellt alternativ till kisel i solceller. I en studie publicerad i tidskriften Nature Photonics visade ingenjörer att de också kan generera en ström av identiska fotoner.

För sin forskning använde fysikerbly-halit perovskit nanopartiklar. Solceller använder tunna filmer av detta material, och i nanopartikelform har de otroligt höga kryogena emissionshastigheter, vilket skiljer dem från andra kolloidala halvledarnanopartiklar. Ju snabbare ljuset sänds ut, desto mer sannolikt är det att utsignalen kommer att ha en väldefinierad vågfunktion, vilket är nödvändigt för kvantnätverk.

För att kontrollera att de fotoner de ärgenerera, faktiskt har de önskade egenskaperna, genomförde forskarna ett standardtest. Den består i att detektera en speciell typ av interferens mellan två fotoner, Hong-Wu-Mandel-effekten. Resultaten av experimentet bekräftade att källan avger kvantljus.

Forskarna konstaterar att installationen hittills inte har gjort detär perfekt och fungerar med störningar, men de är övertygade om att detta kan övervinnas genom att placera perovskiter i en optisk kavitet – en effekt som fungerar med andra material. 

Samtidigt noterar forskarna fördelenteknik för enkel produktion. "Anledningen till att andra källor är sammanhängande är för att de är gjorda av de renaste materialen och en efter en, atom för atom. Så vi har väldigt dålig skalbarhet och väldigt dålig reproducerbarhet”, säger Alexander Kaplan, medförfattare till studien. Däremot tillverkas perovskitnanopartiklar i lösning och avsätts helt enkelt på ett substratmaterial. Dessutom fungerar sådana källor vid rumstemperatur och kräver ingen kylning.

Båda föreslagna teknikerna är inte ännuen färdig lösning för att bygga kvantnätverk. Men det här är ett steg i rätt riktning. Det faktum att olika grupper av forskare runt om i världen utvecklar alternativa tekniker och försöker hitta en lösning som är relativt billig och lätt att skala tyder på att kvantnätverk snart kan bli verklighet.

Läs mer:

Ett märkligt föremål hetare än solen överraskade astronomerna

En artefakt som liknar en fallos hittades i Mongoliet: den är cirka 42 000 år gammal

Hittade det högsta trädet i Asien: visa hur det ser ut

Omslagsbild: C. Hohmann, MCQST