Forskere i Japan annoncerer rumtemperatur kvantefremgang – højtydende computernyhedsanalyse | inde i HPC

Lektor Mark Sadgrove og hr. Kaito Shimizu fra TUS og professor Kae Nemoto fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University var også en del af denne undersøgelse. Denne nyudviklede enkelt-foton lyskilde eliminerer behovet for dyre kølesystemer og har potentialet til at gøre kvantenetværk mere omkostningseffektive og tilgængelige.

Enkeltfoton-emittere kvantemekanisk forbinder kvantebits (eller qubits) mellem noder i kvantenetværk. De er typisk lavet ved at indlejre sjældne jordarters elementer i optiske fibre ved ekstremt lave temperaturer. Nu har forskere fra Japan, ledet af lektor Kaoru Sanaka fra Tokyo University of Science, udviklet en ytterbium-doteret optisk fiber ved stuetemperatur. Ved at undgå behovet for dyre køleløsninger tilbyder den foreslåede metode en omkostningseffektiv platform til fotoniske kvanteapplikationer.

Kvantebaserede systemer lover hurtigere databehandling og stærkere kryptering til beregnings- og kommunikationssystemer. Disse systemer kan bygges på fibernetværk, der involverer indbyrdes forbundne noder, som består af qubits og enkeltfotongeneratorer, der skaber sammenfiltrede fotonpar.

I denne henseende er sjældne jordarters (RE) atomer og ioner i faststofmaterialer meget lovende som enkeltfotongeneratorer. Disse materialer er kompatible med fibernetværk og udsender fotoner over en bred vifte af bølgelængder. På grund af deres brede spektralområde kunne optiske fibre, der er doteret med disse RE-elementer, finde anvendelse i forskellige applikationer, såsom frirum-telekommunikation, fiberbaseret telekommunikation, generering af kvante-tilfældige tal og billedanalyse i høj opløsning. Men indtil videre er enkeltfoton-lyskilder blevet udviklet ved hjælp af RE-doterede krystallinske materialer ved kryogene temperaturer, hvilket begrænser de praktiske anvendelser af kvantenetværk baseret på dem.

For at fremstille den ytterbium-doterede optiske fiber tilspidsede forskerne en kommercielt tilgængelig ytterbium-doteret fiber ved hjælp af en varme-og-træk-teknik, hvor en del af fiberen opvarmes og derefter trækkes med spænding for gradvist at reducere dens diameter.

Inden for den tilspidsede fiber udsender individuelle RE-atomer fotoner, når de exciteres med en laser. Adskillelsen mellem disse RE-atomer spiller en afgørende rolle i at definere fiberens optiske egenskaber. For eksempel, hvis den gennemsnitlige adskillelse mellem de individuelle RE-atomer overstiger den optiske diffraktionsgrænse, som bestemmes af bølgelængden af ​​de udsendte fotoner, ser det udsendte lys fra disse atomer ud, som om det kommer fra klynger snarere end forskellige individuelle kilder.

For at bekræfte arten af ​​disse udsendte fotoner brugte forskerne en analytisk metode kendt som autokorrelation, som vurderer ligheden mellem et signal og dets forsinkede version. Ved at analysere det udsendte fotonmønster ved hjælp af autokorrelation observerede forskerne ikke-resonante emissioner og opnåede yderligere beviser for fotonemission fra den enkelte ytterbium-ion i det doterede filter.

Mens kvaliteten og mængden af ​​udsendte fotoner kan forbedres yderligere, kan den udviklede optiske fiber med ytterbium-atomer fremstilles uden behov for dyre kølesystemer. Dette overvinder en betydelig hindring og åbner døre til forskellige næste generations kvanteinformationsteknologier. "Vi har demonstreret en billig enkelt-foton lyskilde med valgbar bølgelængde og uden behov for et kølesystem. I forvejen kan det muliggøre forskellige næste generations kvanteinformationsteknologier såsom ægte tilfældige talgeneratorer, kvantekommunikation, kvantelogiske operationer og højopløsningsbilledanalyse ud over diffraktionsgrænsen,” konkluderer Dr. Sanaka.