محققان ژاپنی پیشرفت کوانتومی دمای اتاق را اعلام کردند - تحلیل اخبار محاسباتی با عملکرد بالا | داخل HPC

استادیار مارک سادگرو و آقای کایتو شیمیزو از TUS و پروفسور کای نموتو از دانشگاه فارغ التحصیلان موسسه علوم و فناوری اوکیناوا نیز بخشی از این مطالعه بودند. این منبع نور تک فوتون جدید نیاز به سیستم های خنک کننده گران قیمت را از بین می برد و این پتانسیل را دارد که شبکه های کوانتومی را مقرون به صرفه تر و در دسترس تر کند.

تابشگرهای تک فوتونی به صورت مکانیکی کوانتومی بیت‌های کوانتومی (یا کیوبیت‌ها) را بین گره‌های شبکه‌های کوانتومی متصل می‌کنند. آنها معمولاً با تعبیه عناصر کمیاب در فیبرهای نوری در دمای بسیار پایین ساخته می شوند. اکنون، محققان ژاپنی به سرپرستی دانشیار Kaoru Sanaka از دانشگاه علوم توکیو، فیبر نوری دوپ شده با ایتربیوم را در دمای اتاق توسعه داده‌اند. با اجتناب از نیاز به راه حل های خنک کننده گران قیمت، روش پیشنهادی یک پلت فرم مقرون به صرفه برای کاربردهای کوانتومی فوتونیک ارائه می دهد.

سیستم‌های مبتنی بر کوانتوم، محاسبات سریع‌تر و رمزگذاری قوی‌تر را برای سیستم‌های محاسباتی و ارتباطی نوید می‌دهند. این سیستم‌ها را می‌توان بر روی شبکه‌های فیبری شامل گره‌های به هم پیوسته که از کیوبیت‌ها و ژنراتورهای تک فوتون تشکیل شده‌اند که جفت‌های فوتون درهم تنیده را ایجاد می‌کنند، ساخته شوند.

در این راستا، اتم ها و یون های خاکی کمیاب (RE) در مواد حالت جامد به عنوان مولدهای تک فوتونی بسیار امیدوارکننده هستند. این مواد با شبکه‌های فیبری سازگار هستند و فوتون‌ها را در طیف وسیعی از طول موج‌ها ساطع می‌کنند. به دلیل گستره طیفی وسیعی که دارند، فیبرهای نوری دوپ شده با این عناصر RE می توانند در کاربردهای مختلفی مانند مخابرات فضای آزاد، ارتباطات راه دور مبتنی بر فیبر، تولید اعداد تصادفی کوانتومی و تجزیه و تحلیل تصویر با وضوح بالا استفاده شوند. با این حال، تا کنون، منابع نور تک فوتون با استفاده از مواد کریستالی دوپ شده RE در دماهای برودتی توسعه یافته اند، که کاربردهای عملی شبکه های کوانتومی مبتنی بر آنها را محدود می کند.

برای ساخت فیبر نوری دوپ شده با ایتربیوم، محققان یک فیبر دوپ شده با ایتربیوم تجاری موجود را با استفاده از تکنیک گرما و کشش مخروطی کردند، جایی که بخشی از فیبر گرم می شود و سپس با کشش کشیده می شود تا به تدریج قطر آن کاهش یابد.

در فیبر مخروطی، اتم‌های RE منفرد وقتی با لیزر برانگیخته می‌شوند فوتون ساطع می‌کنند. جدایی بین این اتم های RE نقش مهمی در تعریف خواص نوری فیبر ایفا می کند. برای مثال، اگر میانگین تفکیک بین اتم‌های RE منفرد از حد پراش نوری که توسط طول موج فوتون‌های ساطع شده تعیین می‌شود، بیشتر شود، نور ساطع شده از این اتم‌ها به نظر می‌رسد که از خوشه‌ها می‌آید تا منابع مجزا.

برای تایید ماهیت این فوتون‌های ساطع شده، محققان از روش تحلیلی به نام خودهمبستگی استفاده کردند که شباهت بین سیگنال و نسخه تاخیری آن را ارزیابی می‌کند. با تجزیه و تحلیل الگوی فوتون ساطع شده با استفاده از همبستگی خودکار، محققان انتشارات غیررزونانسی را مشاهده کردند و شواهد بیشتری از گسیل فوتون از یون ایتربیوم منفرد در فیلتر دوپ شده به دست آوردند.

در حالی که کیفیت و کمیت فوتون های ساطع شده را می توان بیشتر افزایش داد، فیبر نوری توسعه یافته با اتم های ایتربیوم را می توان بدون نیاز به سیستم های خنک کننده گران قیمت تولید کرد. این بر یک مانع قابل توجه غلبه کرده و درها را به روی فناوری‌های اطلاعات کوانتومی نسل بعدی باز می‌کند. ما یک منبع نور تک فوتون ارزان قیمت با طول موج قابل انتخاب و بدون نیاز به سیستم خنک کننده را نشان داده ایم. دکتر ساناکا نتیجه‌گیری می‌کند که می‌تواند فناوری‌های اطلاعات کوانتومی نسل بعدی مانند مولدهای اعداد تصادفی واقعی، ارتباطات کوانتومی، عملیات منطق کوانتومی و تجزیه و تحلیل تصویر با وضوح بالا را فراتر از حد پراش فعال کند.