Ефекти квантової механіки, у тому числі заплутаність двох частинок (явище, при якому окремі стани
Дві незалежні групи дослідників оголосили простворення джерел одиночних фотонів, які необхідні передачі даних у квантової мережі. Німецькі дослідники з Інституту квантової оптики Товариства Макса Планка та Мюнхенського технічного університету використовували атоми ербію, вбудовані в кремнієвий кристал, які дають світло з частотою, що відповідає сучасним мережам зв'язку.
А інженери з Массачусетського технологічногоІнституту використовують нанокристали перовскітів, виробництво яких легко масштабувати. При цьому вони не потребують екстремального охолодження та можуть працювати при кімнатній температурі.
Що таке квантова мережа?
Квантові комп'ютери теоретично можуть виконуватизавдання, що не піддаються вирішенню навіть на найпотужніших у світі суперкомп'ютерах. Їх можна використовувати для моделювання властивостей матеріалів та складних систем. Але для досягнення по-справжньому значущих результатів потрібен ефективний спосіб з'єднання вузлів квантової інформації — розподілених квантових процесорів.
Оскільки квантові комп'ютери докорінновідрізняються від класичних, звичайні методи, використовувані передачі інформації, не застосовні до них напряму. Квантова інформація більш складна: замість того, щоб зберігати тільки значення 0 або 1, як у класичних комп'ютерах, кубит може одночасно набувати значення 0 і 1 (явище, відоме як суперпозиція).
Ідеальним рішенням є квантова мережа.з'єднання, в якому здійснюється прямий обмін кубитами інформації із збереженням квантовомеханічних властивостей. Квантова мережа пов'язує вузли обробки за допомогою фотонів, які проходять через спеціальні міжз'єднання, відомі як хвилеводи.
Перевага такого з'єднання полягає в тому, щоквантові пристрої зв'язуються безпосередньо, забезпечуючи швидшу обробку даних. Крім того, такі мережі можна використовувати для безпечної передачі даних: щойно зловмисник спробує перехопити інформацію, «закодовану» у фотонах, квантові властивості частинок будуть втрачені, а дані стануть непридатними для використання.
Атоми ербію в кремнієвому кристалі
Квантовий резонатор на основі кристалу кремнію. Зображення: MCQST
Німецькі інженери розробили оптичнийрезонатор для квантових мереж на основі кристала кремнію, легованого атомами ербію. Розробка слідує за попереднім дослідженням тієї ж групи щодо впровадження окремих атомів рідкісноземельного елемента в кристалічний кремній з використанням відносно низької температури (близько 500 °C), щоб гарантувати, що велика кількість атомів ербію не згрупується разом у ґратах кремнію.
У новому дослідженні, результати якогоопубліковані в журналі Optica, дослідники показали, що за допомогою таких кристалів можна генерувати одиночні фотони із заданими властивостями. Атоми ербію, поміщені в кремнієвий кристал, мають чудові оптичні властивості, відзначають автори дослідження. Вони випромінюють світло із довжиною хвилі 1536 нм. Це практично ідентично світла, який використовується для передачі даних у класичних оптоволоконних мережах.
Інженери розробили резонатор, легованийербієм, який відрізняється від звичайних конструкцій тим, що у ньому немає дзеркал. Натомість використовується регулярна структура отворів нанометрового розміру в кристалічному кремнії. Це означає, що весь резонатор має довжину всього кілька мікронів і містить лише кілька десятків атомів ербію. При з'єднанні резонатора з оптоволокном та збудження атомів за допомогою лазера дослідники продемонстрували можливість випромінювання окремих фотонів з бажаними характеристиками.
Дослідники відзначають дві основні переваги,які, за їхніми словами, роблять легований кремній ербієм «ідеальним кандидатом для побудови квантових мереж». По-перше, він заснований на класичному матеріалі, який широко використовується в напівпровідниковому виробництві, а значить масштабне створення потрібних компонентів не вимагатиме створення нових складних виробництв.
А по-друге, система працює при відносновисокій (для квантових технологій) температурі - близько 8 К (-265 ° С). На відміну від систем, що працюють біля абсолютного нуля, такі умови простіше створити за допомогою охолодження у кріостаті з рідким гелієм.
Перовскіти як джерела одиночних фотонів
Нанокристали перовскітів. Зображення: MIT
Дослідники з MIT пропонують альтернативнийматеріал для створення квантових мереж - перовскіти. Цей матеріал вже широко зарекомендував себе як потенційна альтернатива кремнію у фотоелементах. У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Photonics, інженери показали, що вони можуть генерувати потік ідентичних фотонів.
Для свого дослідження фізики використалинаночастки свинцево-галітного перовскіту. Для фотоелементів використовуються тонкі плівки цього матеріалу, а у формі наночастинок вони відрізняються неймовірно високою швидкістю кріогенного випромінювання, що відрізняє їх від інших колоїдних напівпровідникових наночастинок. Чим швидше випромінюється світло, тим більша ймовірність того, що вихідний сигнал матиме чітко визначену функцію хвиль, яка необхідна для квантових мереж.
Щоб перевірити, що фотони, які вонигенерують, дійсно мають потрібні властивості, дослідники провели стандартний тест. Він полягає у виявленні особливого виду інтерференції між двома фотонами, ефект Хонга – У – Мандела. Результати експерименту підтвердили, що джерело випромінює квантове світло.
Дослідники відзначають, що поки що установка недосконала і працює з перешкодами, але вони впевнені, що їх можна буде подолати, помістивши перовскіти в оптичний резонатор - ефект, який працює з іншими матеріалами.
Одночасно дослідники відзначають перевагутехнології у простоті виробництва. «Причина, через яку інші джерела є когерентними, полягає в тому, що вони зроблені з найчистіших матеріалів і один за одним, атом за атомом. Таким чином, у нас дуже погана масштабованість та дуже погана відтворюваність», — каже Олександр Каплан, співавтор дослідження. Навпаки, наночастинки перовскіту виготовлені в розчині і просто нанесені на матеріал підкладки. Крім того, такі джерела працюють за кімнатної температури і не вимагають охолодження.
Обидві запропоновані технології поки не єготовим рішенням для побудови квантових мереж. Але це крок у потрібному напрямку. Той факт, що різні групи дослідників у всьому світі розробляють альтернативні технології та намагаються знайти рішення, яке буде відносно дешево і просто масштабувати, каже, що незабаром квантові мережі можуть стати реальністю.
Читати далі:
Дивний об'єкт гаряче Сонця здивував астрономів
У Монголії знайшли артефакт, що нагадує фалос: йому близько 42 000 років
Знайдено найвище дерево в Азії: показуємо, як воно виглядає
Зображення на обкладинці: C. Hohmann, MCQST