Η διαπλοκή παίζει κρίσιμο ρόλο στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε έναν κβαντικό υπολογιστή που μπορεί να εκτελέσει πολλές μαθηματικές πράξεις ταυτόχρονα. Για να χρησιμοποιήσετε έναν κβαντικό υπολογιστή αποτελεσματικά, πολλά μπερδεμένα σωματίδια πρέπει να συνεργαστούν. Είναι τα απαραίτητα στοιχεία για τους υπολογισμούς, τα λεγόμενα qubits.
Μια ομάδα φυσικών στο Ινστιτούτο Max Planck της Quantum Optics στο Garching έχει τώρα, για πρώτη φορά, επιδείξει αυτό το έργο με φωτόνια που εκπέμπονται από ένα μόνο άτομο. Θα μπορούσαν να δημιουργήσουν έως και 14 μπερδεμένα φωτόνια σε έναν οπτικό συντονιστή, ο οποίος μπορεί να προετοιμαστεί σε συγκεκριμένες κβαντικές φυσικές καταστάσεις με στοχευμένο και πολύ αποτελεσματικό τρόπο. Η νέα μέθοδος θα μπορούσε να επιτρέψει την κατασκευή ισχυρών και στιβαρών κβαντικών υπολογιστών και να εξυπηρετήσει την ασφαλή μετάδοση δεδομένων στο μέλλον.
Αυτή είναι η πρώτη φορά που η ομάδα έχει δημιουργήσει έως και 14 μπλεγμένα φωτόνια με καθορισμένο τρόπο και με υψηλή απόδοση.
Ο Philip Thomas, διδακτορικός φοιτητής στο Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) στο Garching κοντά στο Μόναχο, είπε: «Το κόλπο σε αυτό το πείραμα ήταν ότι χρησιμοποιήσαμε ένα μόνο άτομο για να εκπέμψουμε τα φωτόνια και να τα συνδυάσουμε με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο. Για να γίνει αυτό, τοποθετήσαμε ένα άτομο ρουβιδίου στο κέντρο μιας οπτικής κοιλότητας - έναν θάλαμο ηχούς για ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η κατάσταση του ατόμου θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί με ακρίβεια με φως λέιζερ συγκεκριμένης συχνότητας. Χρησιμοποιώντας έναν πρόσθετο παλμό ελέγχου, οι ερευνητές προκάλεσαν επίσης συγκεκριμένα την εκπομπή ενός φωτονίου που εμπλέκεται με την κβαντική κατάσταση του ατόμου».
«Επαναλάβαμε αυτή τη διαδικασία αρκετές φορές και με προκαθορισμένο τρόπο. Ενδιάμεσα, το άτομο χειραγωγήθηκε με έναν συγκεκριμένο τρόπο – στην τεχνική ορολογία: περιστρεφόταν. Με αυτόν τον τρόπο, ήταν δυνατό να δημιουργηθεί μια αλυσίδα από έως και 14 σωματίδια φωτός που μπλέκονται από τις ατομικές περιστροφές και φέρονται στην επιθυμητή κατάσταση».
«Από όσο γνωρίζουμε, τα 14 διασυνδεδεμένα σωματίδια φωτός είναι ο μεγαλύτερος αριθμός εμπλεκόμενων φωτονίων που έχουν δημιουργηθεί στο εργαστήριο μέχρι στιγμής».
«Επειδή η αλυσίδα των φωτονίων προέκυψε από ένα μόνο άτομο, θα μπορούσε να παραχθεί ντετερμινιστικά. Αυτό σημαίνει: ότι, καταρχήν, κάθε παλμός ελέγχου παρέχει ένα φωτόνιο με τις επιθυμητές ιδιότητες. Μέχρι τώρα, η εμπλοκή των φωτονίων γινόταν συνήθως σε ειδικούς, μη γραμμικούς κρυστάλλους. Το μειονέκτημα: τα σωματίδια φωτός δημιουργούνται τυχαία και με τρόπο που δεν μπορεί να ελεγχθεί. Αυτό περιορίζει επίσης τον αριθμό των σωματιδίων που συσσωρεύονται σε μια συλλογική κατάσταση».
Η μέθοδος που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες επιτρέπει τη δημιουργία οποιουδήποτε αριθμού εμπλεκόμενων φωτονίων. Είναι επίσης αποτελεσματικό: Αποδείξαμε την απόδοση σχεδόν 50 τοις εκατό μετρώντας την αλυσίδα φωτονίων που παράγεται.
Θωμάς είπε, «Αυτό σημαίνει: σχεδόν κάθε δευτερόλεπτο «πάτημα ενός κουμπιού» στο άτομο ρουβιδίου απέδωσε ένα χρησιμοποιήσιμο σωματίδιο φωτός – πολύ περισσότερο από ό,τι είχε επιτευχθεί σε προηγούμενα πειράματα».
Ο διευθυντής Gerhard Rempe είπε, «Συνολικά, η δουλειά μας αφαιρεί ένα μακροχρόνιο εμπόδιο στην πορεία προς κλιμάκωση, με βάση τις μετρήσεις κβαντική υπολογιστική. "
Οι ερευνητές στο MPQ θέλουν να απαλλαγούν από ένα ακόμη εμπόδιο. Για παράδειγμα, δύο άτομα θα απαιτούνται ως πηγές φωτονίων στον συντονιστή για πολύπλοκες λειτουργίες υπολογιστή. Υπάρχει μια δισδιάστατη κατάσταση συστάδας, σύμφωνα με τους κβαντικούς φυσικούς.
Ο Φίλιππος Θωμάς είπε, «Εργαζόμαστε ήδη για να αντιμετωπίσουμε αυτό το έργο».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Thomas, Ρ., Ruscio, L., Morin, Ο. et al. Αποτελεσματική παραγωγή καταστάσεων πολυφωτονικής γραφικής παράστασης από ένα μόνο άτομο. Φύση 608, 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
