Το άτομο σπανίων γαιών μπορεί να φτιάξει έναν κβαντικό επαναλήπτη σε μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Εικόνα της συσκευής ερβίου, η οποία είναι ένα γκρι τσιπ που περιέχει ένα πλέγμα οπών και δύο κανάλια που μοιάζουν με κορδέλα — Συμβατό με τηλεπικοινωνίες: Μια εικόνα της συσκευής που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. (Ευγενική προσφορά: Lukasz Dusanowski)

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στις ΗΠΑ έχουν κάνει ένα βασικό βήμα προς την υλοποίηση κλιμακούμενων κβαντικών δικτύων χάρη σε ένα στοιχείο σπανίων γαιών: το έρβιο. Το έρβιο είναι καλό στην εκπομπή και την απορρόφηση φωτονίων σε μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία των τηλεπικοινωνιών, γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα επειδή αυτά τα φωτόνια μπορούν να ταξιδέψουν μεγάλες αποστάσεις με μικρή εξασθένηση στις τυπικές οπτικές ίνες. Η αξιοποίηση αυτής της δύναμης στο κβαντικό βασίλειο ήταν μια πρόκληση, αλλά η ομάδα του Πρίνστον κατάφερε να πείσει μια συσκευή με βάση το έρβιο να εκπέμπει πανομοιότυπα φωτόνια - προϋπόθεση για τους κβαντικούς επαναλήπτες να μοιράζονται κβαντικές πληροφορίες σε τεράστιες αποστάσεις.

«Οι ίνες με πρόσμειξη ερβίου χρησιμοποιούνται ως κλασικοί επαναλήπτες για την κατασκευή κλασικών ενισχυτών ινών για όλα τα είδη οπτικών συνδέσεων επικοινωνίας, όπως τα υποθαλάσσια καλώδια μεγάλων αποστάσεων», λέει. Jeff Thompson, καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών στο Πρίνστον και κύριος ερευνητής για το έργο. «Έτσι, για μένα, ήταν πολύ φυσικό να προσπαθήσω να βρω μια κβαντική εκδοχή αυτού».

Πλεονεκτικό, αλλά δύσκολο στη δουλειά

Τα φωτόνια μπορεί να είναι φυσικοί φορείς πληροφοριών, αλλά είναι δύσκολο να κολληθούν και σπάνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι εάν ένα φωτόνιο χαθεί ή οι πληροφορίες που είναι κωδικοποιημένες σε αυτό υποβαθμιστούν, άλλα φωτόνια δεν μπορούν να έρθουν στη διάσωση. Αντίθετα, οι κβαντικές πληροφορίες πρέπει να αποθηκευτούν σε κάποιο είδος μνήμης - σε αυτήν την περίπτωση, ένα άτομο. «Ένας κβαντικός επαναλήπτης είναι στην πραγματικότητα απλώς ένας τρόπος χαρτογράφησης κβαντικών πληροφοριών μεταξύ φωτός και ατόμων», εξηγεί Elizabeth Goldschmidt, καθηγητής κβαντικής οπτικής στο Πανεπιστήμιο του Illinois-Urbana Champaign, ΗΠΑ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.

Στα κβαντικά δίκτυα που βασίζονται σε επαναλήπτες, η ιδέα είναι να δημιουργηθεί εμπλοκή μεταξύ δύο απομακρυσμένων σημείων διαιρώντας αυτήν την απόσταση σε κομμάτια. Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί αυτό είναι ότι ένας κβαντικός επαναλήπτης στο ένα άκρο του καναλιού μεγάλων αποστάσεων εκπέμπει ένα φωτόνιο και, στη διαδικασία, μπλέκεται με αυτό. Ένας άλλος επαναλήπτης σε μικρή απόσταση κάτω από το κανάλι εκπέμπει επίσης ένα φωτόνιο προς την κατεύθυνση του πρώτου. Όταν τα δύο φωτόνια συναντώνται, μετρώνται με τρόπο που τα εμπλέκει. Όσο τα φωτόνια παραμένουν μπλεγμένα με τους αντίστοιχους εκπομπούς τους, μπλέκονται και οι εκπομποί. Συνεχίζοντας αυτή τη διαδικασία στην αλυσίδα, τελικά οι δύο πομποί στα αντίθετα άκρα του καναλιού θα μπερδευτούν. Στη συνέχεια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κοινόχρηστα κλειδιά σε ένα σχήμα διανομής κβαντικών κλειδιών ή μπορούν να μοιραστούν μερικές κβαντικές πληροφορίες μέσω ενός πρωτοκόλλου κβαντικής τηλεμεταφοράς.

Επανέλαβε μετά από εμένα

Άλλες τεχνολογίες κβαντικού επαναλήπτη έχουν αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας διάφορα άτομα ή ελαττώματα στο διαμάντι. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα γενικά εκπέμπουν φωτόνια σε σχεδόν ορατές συχνότητες, οι οποίες εξασθενούν γρήγορα στις οπτικές ίνες. Για να λειτουργήσουν βέλτιστα, απαιτούν μετατροπή συχνότητας, η οποία είναι πολύπλοκη και μπορεί να είναι ακριβή. Ένας επαναλήπτης που εκπέμπει αυτόματα φως του επιθυμητού χρώματος θα απλοποιούσε πολύ τη διαδικασία.

Για να λειτουργήσει ένα άτομο ερβίου ως ένας τέτοιος κβαντικός επαναλήπτης, δύο βασικά πράγματα πρέπει να πάνε σωστά. Πρώτον, το άτομο πρέπει να εκπέμπει φωτόνια αρκετά γρήγορα για να κάνει το σχήμα πρακτικό. Δεύτερον, το εκπεμπόμενο φωτόνιο πρέπει να διατηρήσει τις κβαντικές του ιδιότητες και να παραμείνει μπερδεμένο με το άτομο που το εξέπεμψε παρά τις διακοπές - μια ιδιότητα γνωστή ως συνοχή.

Δυστυχώς, τα άτομα ερβίου στη φύση εκπέμπουν φωτόνια τηλεπικοινωνιακής ζώνης μόνο πολύ σπάνια. Για να ενισχύσει τον ρυθμό εκπομπής του ερβίου στο επιθυμητό χρώμα, η ομάδα τοποθέτησε το άτομο μέσα σε έναν κρύσταλλο, μόλις νανόμετρα μακριά από την επιφάνεια. Πάνω από αυτόν τον κρύσταλλο, τοποθέτησαν μια κοιλότητα, η οποία είναι μια νανοφωτονική συσκευή πυριτίου που έχει σχεδιαστεί για να παγιδεύει το φως στο ακριβές μήκος κύματος που εκπέμπει το έρβιο. Με το άτομο του ερβίου σε αυτήν την κοιλότητα, οι ερευνητές του Πρίνστον το έπεισαν να εκπέμπει τηλεπικοινωνιακά φωτόνια σχεδόν 1000 φορές πιο συχνά απ' ό,τι διαφορετικά.

Επιλέξτε με σύνεση

Για να διατηρηθεί η κβαντική συνοχή των φωτονίων για αρκετό καιρό ώστε να μεταδίδεται η εμπλοκή, ο Thompson και οι συνεργάτες του έπρεπε να επιλέξουν το κρυσταλλικό υλικό τους πολύ προσεκτικά. Από χιλιάδες αρχικές δυνατότητες, δοκίμασαν περίπου 20 στο εργαστήριο πριν καταλήξουν σε βολφραμικό ασβέστιο, το οποίο έφερε τη συνοχή των εκπεμπόμενων φωτονίων αρκετά υψηλή ώστε να συμμετέχουν στην κβαντική παρεμβολή μεταξύ τους. Αυτή η κβαντική παρεμβολή είναι απαραίτητη για το στάδιο μέτρησης εμπλοκής φωτονίων στην αρχιτεκτονική του κβαντικού επαναλήπτη.

Οι νέοι κβαντικοί επαναλήπτες θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν ένα κλιμακούμενο κβαντικό διαδίκτυο

Το επόμενο βήμα, το οποίο λένε οι ερευνητές του Πρίνστον είναι εφικτό, είναι να αποδειχθεί η εμπλοκή μεταξύ φωτονίων που εκπέμπονται από διαφορετικά άτομα ερβίου. Μετά από αυτό, είναι θέμα μαργαρίτας-αλυσίδας των αναμεταδοτών για να σχηματίσουν ένα κβαντικό κανάλι επικοινωνίας. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η τεχνολογία θα πρέπει να είναι εύκολη στην κλίμακα, καθώς αξιοποιεί την ώριμη βιομηχανία φωτονικής πυριτίου. «Νομίζω ότι αυτό είναι ένα πολύ νέο και σημαντικό πράγμα», λέει ο Goldschmidt. "Τα άτομα σπανίων γαιών μπορούν να διατηρήσουν μεγάλο μέρος της εξαιρετικής συνοχής που έχετε με τα άτομα ή τα ιόντα στο κενό, ενώ είναι εξαιρετικά μηχανικά και συμβατά με την ενσωμάτωση συσκευών, όπως φαίνεται τόσο ξεκάθαρα σε αυτή την εργασία."

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.