یون‌های درهم‌تنیده رکورد مسافت‌های طولانی را ثبت کردند - دنیای فیزیک

یون‌های درهم‌تنیده رکورد مسافت‌های طولانی را ثبت کردند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 12 مه 2023، 8:00 صبح

عکس تله یون و حفره نوری مورد استفاده در آزمایش
یکی از گره ها: یک تله یونی بین دو آینه که حفره نوری را تشکیل می دهد. (با احترام: آزمایشگاه نورث آپ)

استفاده از فیبرهای نوری و نوری برای ارسال اطلاعات از نقطه A به B امروزه یک روش استاندارد است، اما اگر بتوانیم مراحل «ارسال و حمل» را به طور کامل نادیده بگیریم و به سادگی اطلاعات را فوراً بخوانیم، چه؟ به لطف درهم تنیدگی کوانتومی، این ایده دیگر یک اثر تخیلی نیست، بلکه موضوع تحقیقات مداوم است. دانشمندان با درهم‌تنیدگی دو ذره کوانتومی مانند یون‌ها، می‌توانند آن‌ها را در یک حالت مشترک شکننده قرار دهند که در آن اندازه‌گیری یک ذره اطلاعاتی را در مورد دیگری به روش‌هایی می‌دهد که در کلاسیک غیرممکن است.

محققان دانشگاه اینسبروک اتریش اکنون این فرآیند پیچیده درهم تنیدگی را بر روی دو یون کلسیم که در حفره های نوری به فاصله 230 متر از هم محبوس شده اند - معادل دو زمین فوتبال - انجام داده اند و از طریق یک فیبر نوری به طول 520 متر به هم متصل شده اند. این جداسازی یک رکورد برای یون های به دام افتاده است و نقطه عطفی در ارتباطات کوانتومی و سیستم های محاسباتی مبتنی بر این ذرات کوانتومی ایجاد می کند.

به سمت یک شبکه کوانتومی

شبکه های کوانتومی ستون فقرات سیستم های ارتباطی کوانتومی هستند. از جمله جذابیت‌های آن‌ها این است که می‌توانند جهان را با قدرت محاسباتی و امنیت بی‌سابقه مرتبط کنند و در عین حال سنجش دقیق و اندازه‌گیری زمان را برای کاربردهای مختلف از اندازه‌شناسی تا ناوبری افزایش دهند. چنین شبکه‌های کوانتومی شامل رایانه‌های کوانتومی - گره‌ها - هستند که از طریق تبادل فوتون‌ها به هم متصل می‌شوند. این تبادل را می توان در فضای آزاد انجام داد، مشابه نحوه حرکت نور در فضا از خورشید به چشم ما. از طرف دیگر، فوتون‌ها را می‌توان از طریق فیبرهای نوری مشابه فیبرهایی که برای انتقال داده‌ها برای اینترنت، تلویزیون و خدمات تلفن استفاده می‌شود، ارسال کرد.

رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر یون‌های به دام افتاده به دو دلیل یک پلتفرم امیدوارکننده برای شبکه‌های کوانتومی و ارتباطات کوانتومی ارائه می‌کنند. یکی این است که کنترل حالت های کوانتومی آنها نسبتا آسان است. مورد دیگر این است که این حالت ها در برابر اغتشاشات خارجی که می تواند اطلاعات حمل شده بین و در گره ها را مختل کند، قوی هستند.

یون های کلسیم به دام افتاده

در آخرین کار، تیم های تحقیقاتی به رهبری تریسی نورثاپ و بن لانیون در اینسبروک یون‌های کلسیم را در تله‌های پل به دام انداختند - یک پیکربندی میدان الکتریکی که نیرویی روی یون ایجاد می‌کند و آن را در مرکز تله محدود می‌کند. یون های کلسیم جذاب هستند زیرا ساختار الکترونیکی ساده ای دارند و در برابر نویز مقاوم هستند. آنها با فناوری مورد نیاز برای شبکه های کوانتومی سازگار هستند. و همچنین به راحتی به دام افتاده و خنک می شوند، بنابراین برای شبکه های کوانتومی مقیاس پذیر مناسب هستند. ماریا گالی، یک دانشجوی دکترا در اینسبروک که در این کار مشارکت داشت، که در شرح داده شده است Physical Review Letters به.

محققان با قرار دادن یک یون به دام افتاده در داخل هر یک از دو حفره نوری جداگانه شروع کردند. این حفره ها فضاهای بین جفت آینه هستند که امکان کنترل دقیق و تنظیم فرکانس نوری را که بین آنها منعکس می شود را فراهم می کند (تصویر بالا را ببینید). این کنترل دقیق برای پیوند یا درهم تنیدگی اطلاعات یون به فوتون بسیار مهم است.

پس از درهم‌تنیدگی سیستم یون فوتون در هر یک از دو حفره - گره‌های شبکه - محققان اندازه‌گیری را برای مشخص کردن سیستم درهم‌تنیده انجام دادند. در حالی که اندازه گیری درهم تنیدگی را از بین می برد، محققان مجبور شدند این فرآیند را چندین بار برای بهینه سازی این مرحله تکرار کنند. فوتون‌ها که هر کدام با یکی از یون‌های کلسیم درگیر می‌شوند، سپس از طریق فیبر نوری که دو گره را که در ساختمان‌های جداگانه قرار دارند، به هم متصل می‌کنند، منتقل می‌شوند.

اعضای تیم اینسبروک یک زنجیره انسانی را تشکیل می دهند که دست در دست هم دارند، بین تریسی نورثاپ (دارای تابلوی دانشگاه اینسبروک) و بن لانیون (با داشتن علامت IQOQI)
تلاش تیمی: تریسی نورثاپ و بن لانیون با تیم های مربوطه خود، در محوطه موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی (IQOQI) در اینسبروک عکاسی کردند. (تقدیم: تیم شبکه کوانتومی اینسبروک)

تبادل اطلاعات

در حالی که محققان می‌توانستند فوتون‌ها را در فضای آزاد منتقل کنند، انجام این کار به دلیل چندین منبع نویز خطر درهم‌تنیدگی یون-فوتون را مختل می‌کرد. فیبرهای نوری، در مقابل، کم تلفات هستند، و همچنین از فوتون ها محافظت می کنند و قطبش آنها را حفظ می کنند، و اجازه می دهند تا فاصله بیشتری بین گره ها وجود داشته باشد. با این حال، آنها ایده آل نیستند. ما شاهد برخی انحرافات در قطبش بودیم. به همین دلیل، هر 20 دقیقه یکبار چرخش پلاریزاسیون فیبر را مشخص کرده و آن را تصحیح می کنیم. گالی می گوید.

این دو فوتون اطلاعات سیستم‌های یون فوتون مربوطه خود را از طریق فرآیندی به نام اندازه‌گیری حالت زنگ فوتون (PBSM) مبادله می‌کنند. در این روش تشخیص انتخابی حالت، توابع موج فوتون‌ها روی هم قرار می‌گیرند و یک الگوی تداخلی ایجاد می‌کنند که می‌توان آن را با چهار آشکارساز نوری اندازه‌گیری کرد.

با خواندن سیگنال های اندازه گیری شده روی آشکارسازهای نوری، محققان می توانند تشخیص دهند که آیا اطلاعات حمل شده توسط فوتون ها - حالت قطبش آنها - یکسان است یا خیر. جفت‌های منطبق از نتایج (حالت‌های قطبش افقی یا عمودی) در نتیجه منادی ایجاد درهم‌تنیدگی بین یون‌های دوردست است.

معاوضه برای درهم تنیدگی موفق

محققان مجبور بودند چندین عامل را برای ایجاد درهم تنیدگی بین یون ها متعادل کنند. یکی پنجره زمانی است که در آن اندازه گیری مشترک نهایی فوتون ها را انجام می دهند. هرچه این بازه زمانی طولانی‌تر باشد، محققان شانس بیشتری برای تشخیص فوتون‌ها خواهند داشت – اما نقطه مقابل این است که یون‌ها کمتر در هم پیچیده می‌شوند. این به این دلیل است که هدف آن‌ها گرفتن فوتون‌هایی است که همزمان می‌رسند و اجازه دادن به یک پنجره زمانی طولانی‌تر می‌تواند آنها را به شناسایی فوتون‌هایی که واقعاً در زمان‌های مختلف رسیده‌اند هدایت کند.

بنابراین، محققان باید به دقت بررسی کنند که در یک بازه زمانی معین به چه میزان درهم تنیدگی دست یافته‌اند. در یک پنجره زمانی 1 میکروثانیه، آنها آزمایش را بیش از 13 میلیون بار تکرار کردند و 555 رویداد تشخیص را تولید کردند. آنها سپس وضعیت یون ها را در هر گره به طور مستقل اندازه گرفتند تا همبستگی را بررسی کنند که 88٪ بود. گالی می‌گوید: «گام نهایی اندازه‌گیری ما در واقع اندازه‌گیری وضعیت هر دو یون است تا تأیید کنیم که همبستگی حالت مورد انتظار وجود دارد. این تایید می کند که ما در ایجاد درهم تنیدگی بین دو یون موفق بوده ایم.

از دوی سرعت تا ماراتن

ممکن است دو زمین فوتبال فاصله زیادی برای ایجاد یک حالت درهم تنیده کوانتومی بی‌ثبات به نظر برسد، اما تیم اینسبروک برنامه‌های بزرگ‌تری دارد. محققان امیدوارند با ایجاد تغییراتی مانند افزایش طول موج فوتون‌های مورد استفاده برای انتقال اطلاعات بین یون‌ها، مسافتی بسیار بیشتر از 50 کیلومتر - طولانی‌تر از یک ماراتن- را طی کنند.

در حالی که سایر گروه‌های تحقیقاتی قبلاً درهم تنیدگی را در فواصل طولانی‌تر با استفاده از اتم‌های خنثی نشان داده‌اند، پلتفرم‌های مبتنی بر یون مزایای خاصی دارند. گالی خاطرنشان می کند که وفاداری دروازه های کوانتومی انجام شده با یون های به دام افتاده بهتر از دروازه های کوانتومی است که روی اتم ها انجام می شود، عمدتاً به این دلیل که برهمکنش بین یون ها قوی تر و پایدارتر از برهمکنش بین اتم ها است و زمان همدوسی یون ها بسیار طولانی تر است.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک