Sjældne jordarters atom kan lave en kvanterepeater ved telekommunikationsbølgelængder – Physics World

Sjældne jordarters atom kan lave en kvanterepeater ved telekommunikationsbølgelængder – Physics World

Tidsstempel: 13. september 2023 kl. 3

Billede af erbium-enheden, som er en grå chip, der indeholder et gitter af huller og to båndlignende kanaler
Telecom-kompatibel: Et billede af den enhed, der blev brugt i eksperimentet. (Med høflighed: Lukasz Dusanowski)

Forskere ved Princeton University i USA har taget et vigtigt skridt i retning af at realisere skalerbare kvantenetværk takket være et sjældent jordarters element: erbium. Erbium er god til at udsende og absorbere fotoner ved bølgelængder, der bruges i telekommunikationsindustrien, hvilket er en fordel, fordi disse fotoner kan rejse lange afstande med lille dæmpning i standard optiske fibre. At udnytte denne styrke i kvanteriget har været en udfordring, men Princeton-teamet formåede at lokke en erbium-baseret enhed til at udsende identiske fotoner - en forudsætning for kvanterepeatere til at dele kvanteinformation over store afstande.

"Erbium-doterede fibre bruges som klassiske repeatere til at lave klassiske fiberforstærkere til alle slags optiske kommunikationsforbindelser, såsom langdistance-undersøiske kabler," siger Jeff Thompson, professor i elektro- og computerteknik ved Princeton og hovedefterforsker på arbejdet. "Så for mig var det meget naturligt at prøve at komme med en kvanteversion af det."

Fordelagtigt, men vanskeligt at arbejde med

Fotoner kan være naturlige informationsbærere, men de er svære at hænge på og interagerer sjældent med hinanden. Det betyder, at hvis en foton går tabt, eller den information, der er kodet i den, forringes, kan andre fotoner ikke komme til undsætning. I stedet skal kvanteinformation lagres i en form for hukommelse - i dette tilfælde et atom. "En kvanterepeater er egentlig bare en måde at kortlægge kvanteinformation frem og tilbage mellem lys og atomer," forklarer Elizabeth Goldschmidt, en professor i kvanteoptik ved University of Illinois-Urbana Champaign, USA, som ikke var involveret i arbejdet.

I repeater-baserede kvantenetværk er ideen at etablere sammenfiltring mellem to fjerne punkter ved at opdele denne afstand i bidder. Måden dette fungerer på er, at en kvanterepeater i den ene ende af langdistancekanalen udsender en foton og i processen bliver viklet ind i den. En anden repeater et kort stykke nede af kanalen udsender også en foton i retning af den første. Når de to fotoner mødes, måles de på en måde, der vikler dem ind. Så længe fotonerne forbliver viklet ind i deres respektive emittere, bliver emitterne også viklet ind. Ved at fortsætte denne proces ned ad kæden, vil de to emittere i hver sin ende af kanalen blive viklet ind. Så kan de bruges som delte nøgler i et kvantenøgledistributionsskema, eller de kan dele en smule kvanteinformation via en kvanteteleportationsprotokol.

Gentag efter mig

Andre kvanterepeater-teknologier er blevet udviklet ved hjælp af forskellige atomer eller defekter i diamant. Disse systemer udsender dog generelt fotoner ved næsten synlige frekvenser, som dæmpes hurtigt i optiske fibre. For at fungere optimalt kræver de frekvenskonvertering, hvilket er komplekst og kan være dyrt. En repeater, der automatisk udsender lys af den ønskede farve, ville i høj grad forenkle processen.

For at få et erbium-atom til at fungere som en sådan kvanterepeater, skal to hovedting gå rigtigt. For det første skal atomet udsende fotoner hurtigt nok til at gøre ordningen praktisk. For det andet skal den udsendte foton bevare sine kvanteegenskaber og forblive viklet ind i det atom, der udsendte den på trods af forstyrrelser - en egenskab kendt som kohærens.

Desværre udsender erbiumatomer i naturen kun meget sjældent telekommunikationsbåndfotoner. For at øge erbiums emissionshastighed ved den ønskede farve placerede holdet atomet inde i en krystal, kun nanometer væk fra overfladen. Oven på denne krystal placerede de et hulrum, som er en silicium nanofotonisk enhed designet til at fange lys med den præcise bølgelængde, som erbium udsender. Ved hjælp af erbium-atomet til dette hulrum overtalte Princeton-forskerne det til at udsende telekommunikationsfotoner næsten 1000 gange hyppigere, end det ellers ville.

Vælg klogt

For at bevare fotonernes kvantekohærens længe nok til at transmittere sammenfiltring, måtte Thompson og kolleger vælge deres krystalmateriale meget omhyggeligt. Ud fra tusindvis af indledende muligheder prøvede de omkring 20 i laboratoriet, før de slog sig til ro med calciumwolframat, hvilket bragte de udsendte fotoners sammenhæng høj nok til, at de kunne deltage i kvanteinterferens med hinanden. Denne kvanteinterferens er nødvendig for fotonsammenfiltringsmålingsstadiet i kvanterepeaterarkitekturen.

Det næste skridt, som Princeton-forskerne siger, er inden for rækkevidde, er at demonstrere sammenfiltring mellem fotoner, der udsendes fra forskellige erbium-atomer. Derefter er det et spørgsmål om at kæde repeaterne sammen for at danne en kvantekommunikationskanal. Forskerne mener, at denne teknologi burde være let at skalere, da den udnytter den modne siliciumfotonikindustri. "Jeg synes, det her er en meget ny og vigtig ting," siger Goldschmidt. "Sjældne jordarters atomer kan bevare meget af den fremragende sammenhæng, som du får med atomer eller ioner i vakuum, samtidig med at de er yderst manipulerede og kompatible med enhedsintegration, som vist så tydeligt i dette arbejde."

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden