Põimunud ioonid püstitasid pikamaarekordi – füüsikamaailm

Valguskiudude ja optiliste kiudude kasutamine teabe saatmiseks punktist A punkti B on tänapäeval tavapraktika, kuid mis siis, kui saaksime "saatmise ja kandmise" etapid täielikult vahele jätta ja lihtsalt lugeda teavet hetkega? Tänu kvantpõimumisele pole see idee enam ilukirjanduslik teos, vaid käimasoleva uurimistöö objekt. Kahe kvantosakese, näiteks ioonide, kokkupõimimisel saavad teadlased viia need habrasse ühisolekusse, kus ühe osakese mõõtmine annab teise kohta teavet viisil, mis klassikaliselt võimatu oleks.

Austria Innsbrucki ülikooli teadlased on nüüd läbi viinud selle keeruka põimumisprotsessi kahe kaltsiumiiooniga, mis on lõksus üksteisest 230 m kaugusel asuvatesse optilistesse õõnsustesse – mis vastab umbes kahele jalgpalliväljakule – ja on ühendatud 520 m pikkuse optilise kiu kaudu. See eraldamine on püütud ioonide rekord ja seab verstaposti nendel kvantosakestel põhinevates kvantkommunikatsiooni- ja arvutussüsteemides.

Kvantvõrgu poole

Kvantvõrgud on kvantkommunikatsioonisüsteemide selgroog. Nende atraktsioonide hulgas on see, et nad võiksid ühendada maailma enneolematu arvutusvõimsuse ja turvalisusega, suurendades samal ajal täppistuvastust ja ajamõõtmist rakendustes alates metroloogiast kuni navigatsioonini. Sellised kvantvõrgud koosneksid footonite vahetuse kaudu ühendatud kvantarvutitest – sõlmedest. Seda vahetust saab teha vabas ruumis, sarnaselt sellele, kuidas valgus liigub läbi kosmose Päikeselt meie silmadeni. Teise võimalusena saab footoneid saata läbi optiliste kiudude, mis on sarnased nendega, mida kasutatakse andmete edastamiseks Interneti-, televisiooni- ja telefoniteenuste jaoks.

Püütud ioonidel põhinevad kvantarvutid pakuvad paljulubavat platvormi kvantvõrkudele ja kvantkommunikatsioonile kahel põhjusel. Üks on see, et nende kvantolekuid on suhteliselt lihtne kontrollida. Teine on see, et need olekud on vastupidavad välistele häiretele, mis võivad häirida sõlmede vahel ja sõlmedes edastatavat teavet.

Kinnijäänud kaltsiumiioonid

Viimases töös on uurimisrühmad eesotsas Tracy Northup ja Ben Lanyon Innsbruckis püüdsid kaltsiumioonid Pauli lõksudesse – elektrivälja konfiguratsiooni, mis tekitab ioonile jõu, piirates selle lõksu keskel. Kaltsiumioonid on ahvatlevad, kuna neil on lihtne elektrooniline struktuur ja nad on mürakindlad. „Need ühilduvad kvantvõrkude jaoks vajaliku tehnoloogiaga; ning need on ka kergesti lõksus ja jahutatavad, seega sobivad skaleeritavate kvantvõrkude jaoks,“ selgitab Maria Galli, Innsbrucki doktorant, kes osales töös, mida on kirjeldatud aastal Physical Review Letters.

Uurijad alustasid kahe eraldiseisva optilise õõnsuse sisse ühe püütud iooni paigutamisega. Need õõnsused on ruumid peeglipaaride vahel, mis võimaldavad nende vahel põrkava valguse sagedust täpselt juhtida ja häälestada (vt ülaltoodud pilti). See range kontroll on ülioluline iooni ja footoni teabe sidumiseks või segamiseks.

Pärast ioon-footoni süsteemi segamist mõlemas kahes õõnsuses - võrgu sõlmedes - viisid teadlased läbi mõõtmise, et iseloomustada takerdunud süsteemi. Kuigi mõõtmine hävitab takerdumise, pidid teadlased seda protsessi mitu korda kordama, et seda sammu optimeerida. Footonid, millest igaüks on põimunud ühe kaltsiumiiooniga, edastatakse seejärel läbi optilise kiu, mis ühendab kahte sõlme, mis asuvad eraldi hoonetes.

Teabe vahetamine

Kuigi teadlased oleksid võinud footonid vabas ruumis üle kanda, oleks see mitme müraallika tõttu ohustanud ioonide-footonite põimumist. Optilistel kiududel on seevastu väike kadu ning need varjestavad ka footoneid ja säilitavad nende polarisatsiooni, võimaldades sõlmede vahel pikemat eraldumist. Need pole aga ideaalsed. "Me täheldasime mõningaid polarisatsiooni triivisid. Sel põhjusel iseloomustame iga 20 minuti järel kiu polarisatsiooni pöörlemist ja korrigeerime seda. ütleb Galli.

Need kaks footonit vahetavad teavet oma vastavate ioon-footonsüsteemide kohta protsessi kaudu, mida nimetatakse footon Bell-state mõõtmiseks (PBSM). Selle oleku-selektiivse tuvastamise tehnika puhul kattuvad footonite lainefunktsioonid, luues interferentsi mustri, mida saab mõõta nelja fotodetektoriga.

Fotodetektoritel mõõdetud signaale lugedes saavad teadlased öelda, kas footonite poolt kantav teave – nende polarisatsiooni olek – on identne või mitte. Sobivad tulemuste paarid (kas horisontaalsed või vertikaalsed polarisatsiooniolekud) kuulutavad järelikult kaugemate ioonide vahele takerdumise teket.

Kompromissid edukaks põimumiseks

Teadlased pidid tasakaalustama mitmeid tegureid, et tekitada ioonide vahel takerdumist. Üks on ajaaken, mille jooksul nad teevad footonite lõpliku ühise mõõtmise. Mida pikem see ajavahemik on, seda suurem on teadlastel võimalus footoneid tuvastada, kuid kompromiss on see, et ioonid on vähem takerdunud. Selle põhjuseks on asjaolu, et nende eesmärk on tabada samal ajal saabuvaid footoneid ja pikema ajavahemiku lubamine võib viia nende tuvastamiseni erinevatel aegadel tegelikult saabunud footoneid.

Kolmesõlmeline kvantvõrk teeb oma debüüdi

Seetõttu pidid teadlased hoolikalt kontrollima, kui palju takerdumist neil õnnestus antud ajaaknas saavutada. 1 mikrosekundilise aja jooksul kordasid nad katset rohkem kui 13 miljonit korda, tekitades 555 tuvastamissündmust. Seejärel mõõtsid nad ioonide olekut igas sõlmes sõltumatult, et kontrollida korrelatsiooni, mis oli 88%. "Meie viimane mõõtmisetapp on tegelikult mõlema iooni oleku mõõtmine, et kontrollida, kas oodatav oleku korrelatsioon on olemas, " ütleb Galli. "See kinnitab, et meil on õnnestunud tekitada kahe iooni vahele põimumine."

Sprindist maratonini

Kaks jalgpalliväljakut võivad tunduda suure vahemaana, mille üle luua ebakindel kvantpõimunud olek, kuid Innsbrucki meeskonnal on suuremad plaanid. Tehes muudatusi, näiteks suurendades ioonidevahelise teabe edastamiseks kasutatavate footonite lainepikkust, loodavad teadlased läbida palju suurema, 50 km distantsi, mis on pikem kui maraton.

Kui teised uurimisrühmad on neutraalsete aatomite abil varem näidanud takerdumist isegi pikemate vahemaade taha, siis ioonipõhistel platvormidel on teatud eelised. Galli märgib, et püütud ioonidega teostatud kvantväravate täpsus on parem kui aatomitel sooritatud kvantväravatel, peamiselt seetõttu, et ioonide vastastikmõju on tugevam ja stabiilsem kui aatomite omavaheline interaktsioon ning ioonide koherentsusaeg on palju pikem.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/