Sammenfiltrede ioner satte langdistancerekord – Physics World

At bruge lys og optiske fibre til at sende information fra punkt A til B er i dag en standardpraksis, men hvad nu hvis vi kunne springe "sende og bære"-trinene helt over og blot læse information øjeblikkeligt? Takket være kvantesammenfiltring er denne idé ikke længere et fiktionsværk, men et emne for løbende forskning. Ved at sammenfiltre to kvantepartikler, såsom ioner, kan videnskabsmænd sætte dem i en skrøbelig fælles tilstand, hvor måling af en partikel giver information om den anden på måder, som det ville være umuligt klassisk.

Forskere fra universitetet i Innsbruck, Østrig, har nu udført denne vanskelige sammenfiltringsproces på to calciumioner fanget i optiske hulrum 230 m fra hinanden – svarende til omkring to fodboldbaner – og forbundet via en 520 m lang optisk fiber. Denne adskillelse er en rekord for fangede ioner og sætter en milepæl i kvantekommunikation og beregningssystemer baseret på disse kvantepartikler.

På vej mod et kvantenetværk

Kvantenetværk er rygraden i kvantekommunikationssystemer. Blandt deres attraktioner er, at de kunne forbinde verden med hidtil uset computerkraft og sikkerhed og samtidig forbedre præcisionsføling og tidsmåling til applikationer lige fra metrologi til navigation. Sådanne kvantenetværk ville bestå af kvantecomputere - knudepunkterne - forbundet gennem udveksling af fotoner. Denne udveksling kan ske i frit rum, på samme måde som lyset bevæger sig gennem rummet fra Solen til vores øjne. Alternativt kan fotonerne sendes gennem optiske fibre svarende til dem, der bruges til at transmittere data til internet-, tv- og telefontjenester.

Kvantecomputere baseret på fangede ioner tilbyder en lovende platform for kvantenetværk og kvantekommunikation af to grunde. Den ene er, at deres kvantetilstande er relativt nemme at kontrollere. Den anden er, at disse tilstande er robuste over for eksterne forstyrrelser, der kan forstyrre den information, der transporteres mellem og ved knudepunkterne.

Fangede calciumioner

I det seneste arbejde har forskerhold ledet af Tracy Northup , Ben Lanyon i Innsbruck fangede calciumioner i Paul-fælder - en elektrisk feltkonfiguration, der frembringer en kraft på ionen, der begrænser den i midten af ​​fælden. Calciumioner er tiltalende, fordi de har en simpel elektronisk struktur og er robuste over for støj. "De er kompatible med teknologi, der er nødvendig til kvantenetværk; og de er også let fanget og afkølet, og derfor velegnede til skalerbare kvantenetværk,” forklarer Maria Galli, en ph.d.-studerende ved Innsbruck, der var involveret i arbejdet, som er beskrevet i Physical Review Letters.

Forskerne begyndte med at placere en enkelt fanget ion inde i hver af to separate optiske hulrum. Disse hulrum er mellemrum mellem par af spejle, der tillader præcis kontrol og justering af frekvensen af ​​lys, der hopper mellem dem (se billedet ovenfor). Denne stramme kontrol er afgørende for at forbinde eller sammenfiltre informationen fra ionen til fotonens information.

Efter at have viklet ion-fotonsystemet ind i hver af de to hulrum - netværkets knudepunkter - udførte forskerne en måling for at karakterisere det sammenfiltrede system. Mens målingen ødelægger sammenfiltringen, måtte forskerne gentage denne proces flere gange for at optimere dette trin. Fotonerne, der hver er viklet ind i en af ​​calciumionerne, transmitteres derefter gennem den optiske fiber, der forbinder de to noder, som er placeret i separate bygninger.

Udveksling af information

Mens forskerne kunne have overført fotonerne i frit rum, ville det have risikeret at forstyrre ion-foton-sammenfiltringen på grund af flere støjkilder. Optiske fibre har derimod lavt tab, og de beskytter også fotonerne og bevarer deres polarisering, hvilket tillader længere adskillelse mellem noderne. De er dog ikke ideelle. "Vi observerede nogle drifter i polariseringen. Af denne grund vil vi hvert 20. minut karakterisere polarisationsrotationen af ​​fiberen og korrigere for den." siger Galli.

De to fotoner udveksler informationen om deres respektive ion-foton-systemer gennem en proces kendt som en foton-klokketilstandsmåling (PBSM). I denne tilstandsselektive detektionsteknik overlappes fotonernes bølgefunktioner, hvilket skaber et interferensmønster, der kan måles med fire fotodetektorer.

Ved at aflæse de målte signaler på fotodetektorerne kan forskerne se, om den information, fotonerne bærer - deres polarisationstilstand - er identisk eller ej. Matchende par af udfald (enten horisontale eller vertikale polarisationstilstande) varsler derfor genereringen af ​​sammenfiltring mellem de fjerntliggende ioner.

Afvejninger for vellykket sammenfiltring

Forskerne var nødt til at balancere flere faktorer for at generere sammenfiltring mellem ionerne. Det ene er det tidsvindue, hvor de laver den endelige fælles måling af fotonerne. Jo længere dette tidsvindue er, jo større chance har forskerne for at opdage fotoner - men afvejningen er, at ionerne er mindre viklet ind. Dette skyldes, at de sigter mod at fange fotoner, der ankommer på samme tid, og at tillade et længere tidsvindue kan få dem til at opdage fotoner, der faktisk ankom på forskellige tidspunkter.

Tre-node kvantenetværk får sin debut

Forskerne skulle derfor nøje tjekke, hvor meget sammenfiltring de formåede at opnå i et givet tidsvindue. Over et tidsvindue på 1 mikrosekund gentog de eksperimentet mere end 13 millioner gange, hvilket producerede 555 detektionsbegivenheder. De målte derefter tilstanden af ​​ionerne ved hver knude uafhængigt for at kontrollere korrelationen, som var 88%. "Vores sidste måletrin er faktisk at måle tilstanden af ​​begge ioner for at verificere, at den forventede tilstandskorrelation er der," siger Galli. "Dette bekræfter, at det er lykkedes os at skabe sammenfiltring mellem de to ioner."

Fra en sprint til et maraton

To fodboldbaner kan virke som en stor afstand til at skabe en usikker kvantesammenfiltret tilstand, men Innsbruck-holdet har større planer. Ved at foretage ændringer såsom at øge bølgelængden af ​​fotoner, der bruges til at transmittere information mellem ionerne, håber forskerne at tilbagelægge en meget større afstand på 50 km - længere end et maraton.

Mens andre forskergrupper tidligere har påvist sammenfiltring over endnu længere afstande ved hjælp af neutrale atomer, har ionbaserede platforme visse fordele. Galli bemærker, at troskaben af ​​kvanteporte udført med fangede ioner er bedre end kvanteporte udført på atomer, hovedsagelig fordi interaktioner mellem ioner er stærkere og mere stabile end interaktioner mellem atomer, og ioners kohærenstid er meget længere.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/