Ερευνητές στην Ιαπωνία ανακοινώνουν την κβαντική πρόοδο θερμοκρασίας δωματίου – Ανάλυση ειδήσεων Υπολογιστικής Υψηλής Απόδοσης | μέσα HPC

Ο αναπληρωτής καθηγητής Mark Sadgrove και ο κ. Kaito Shimizu από το TUS και ο καθηγητής Kae Nemoto από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα ήταν επίσης μέρος αυτής της μελέτης. Αυτή η πρόσφατα αναπτυγμένη πηγή φωτός ενός φωτονίου εξαλείφει την ανάγκη για ακριβά συστήματα ψύξης και έχει τη δυνατότητα να κάνει τα κβαντικά δίκτυα πιο οικονομικά και προσβάσιμα.

Οι εκπομποί ενός φωτονίου κβαντικά μηχανικά συνδέουν κβαντικά bit (ή qubits) μεταξύ κόμβων σε κβαντικά δίκτυα. Συνήθως κατασκευάζονται με την ενσωμάτωση στοιχείων σπάνιων γαιών σε οπτικές ίνες σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Τώρα, ερευνητές από την Ιαπωνία, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Kaoru Sanaka από το Πανεπιστήμιο Επιστημών του Τόκιο, ανέπτυξαν μια οπτική ίνα με πρόσμειξη υττέρβιο σε θερμοκρασία δωματίου. Αποφεύγοντας την ανάγκη για ακριβές λύσεις ψύξης, η προτεινόμενη μέθοδος προσφέρει μια οικονομικά αποδοτική πλατφόρμα για φωτονικές κβαντικές εφαρμογές.

Τα συστήματα που βασίζονται σε κβαντικά υπόσχονται ταχύτερους υπολογισμούς και ισχυρότερη κρυπτογράφηση για συστήματα υπολογισμού και επικοινωνίας. Αυτά τα συστήματα μπορούν να κατασκευαστούν σε δίκτυα ινών που περιλαμβάνουν διασυνδεδεμένους κόμβους που αποτελούνται από qubits και γεννήτριες ενός φωτονίου που δημιουργούν μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων.

Από αυτή την άποψη, τα άτομα και τα ιόντα σπανίων γαιών (RE) σε υλικά στερεής κατάστασης είναι πολλά υποσχόμενα ως γεννήτριες μονοφωτονίων. Αυτά τα υλικά είναι συμβατά με δίκτυα ινών και εκπέμπουν φωτόνια σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος. Λόγω του μεγάλου φασματικού τους εύρους, οι οπτικές ίνες με αυτά τα στοιχεία RE θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές, όπως τηλεπικοινωνίες ελεύθερου χώρου, τηλεπικοινωνίες βασισμένες σε ίνες, παραγωγή κβαντικών τυχαίων αριθμών και ανάλυση εικόνας υψηλής ανάλυσης. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, έχουν αναπτυχθεί πηγές φωτός ενός φωτονίου με χρήση κρυσταλλικών υλικών με RE-doped σε κρυογονικές θερμοκρασίες, γεγονός που περιορίζει τις πρακτικές εφαρμογές των κβαντικών δικτύων που βασίζονται σε αυτά.

Για να κατασκευάσουν την οπτική ίνα με πρόσμειξη υττέρβιο, οι ερευνητές περιέκοψαν μια εμπορικά διαθέσιμη ίνα με πρόσμειξη υττέρβιο χρησιμοποιώντας μια τεχνική θερμότητας και έλξης, όπου ένα τμήμα της ίνας θερμαίνεται και στη συνέχεια τραβιέται με τάση για να μειωθεί σταδιακά η διάμετρός της.

Μέσα στην κωνική ίνα, μεμονωμένα άτομα RE εκπέμπουν φωτόνια όταν διεγείρονται με λέιζερ. Ο διαχωρισμός μεταξύ αυτών των ατόμων RE παίζει καθοριστικό ρόλο στον καθορισμό των οπτικών ιδιοτήτων της ίνας. Για παράδειγμα, εάν ο μέσος διαχωρισμός μεταξύ των επιμέρους ατόμων RE υπερβαίνει το όριο οπτικής περίθλασης, το οποίο καθορίζεται από το μήκος κύματος των εκπεμπόμενων φωτονίων, το εκπεμπόμενο φως από αυτά τα άτομα φαίνεται σαν να προέρχεται από σμήνη και όχι από ξεχωριστές μεμονωμένες πηγές.

Για να επιβεβαιώσουν τη φύση αυτών των εκπεμπόμενων φωτονίων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια αναλυτική μέθοδο γνωστή ως αυτοσυσχέτιση, η οποία αξιολογεί την ομοιότητα μεταξύ ενός σήματος και της καθυστερημένης εκδοχής του. Αναλύοντας το εκπεμπόμενο σχέδιο φωτονίων χρησιμοποιώντας αυτοσυσχέτιση, οι ερευνητές παρατήρησαν εκπομπές μη συντονισμού και έλαβαν περαιτέρω στοιχεία εκπομπής φωτονίων από το μεμονωμένο ιόν υττερβίου στο ντοπαρισμένο φίλτρο.

Ενώ η ποιότητα και η ποσότητα των εκπεμπόμενων φωτονίων μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω, η ανεπτυγμένη οπτική ίνα με άτομα υττερβίου μπορεί να κατασκευαστεί χωρίς την ανάγκη για ακριβά συστήματα ψύξης. Αυτό ξεπερνά ένα σημαντικό εμπόδιο και ανοίγει πόρτες σε διάφορες κβαντικές τεχνολογίες πληροφοριών επόμενης γενιάς. «Έχουμε επιδείξει μια χαμηλού κόστους πηγή φωτός ενός φωτονίου με επιλέξιμο μήκος κύματος και χωρίς την ανάγκη για σύστημα ψύξης. Προχωρώντας, μπορεί να ενεργοποιήσει διάφορες τεχνολογίες κβαντικής πληροφορίας επόμενης γενιάς, όπως γεννήτριες πραγματικών τυχαίων αριθμών, κβαντική επικοινωνία, κβαντικές λογικές λειτουργίες και ανάλυση εικόνας υψηλής ανάλυσης πέρα ​​από το όριο περίθλασης», καταλήγει ο Δρ Sanaka.