Sotkeutuneet ionit tekivät pitkän matkan ennätyksen – Physics World

Valon ja optisten kuitujen käyttäminen tiedon lähettämiseen pisteestä A paikkaan B on nykyään tavallinen käytäntö, mutta entä jos voisimme ohittaa "lähetys ja kuljettaminen" -vaiheet kokonaan ja yksinkertaisesti lukea tiedot välittömästi? Kvanttikietoutumisen ansiosta tämä idea ei ole enää fiktio, vaan jatkuvan tutkimuksen aihe. Sotkemalla kaksi kvanttihiukkasta, kuten ioneja, tiedemiehet voivat saattaa ne hauraaseen yhteistilaan, jossa yhden hiukkasen mittaaminen antaa tietoa toisesta tavalla, joka olisi klassisesti mahdotonta.

Innsbruckin yliopiston tutkijat Itävallasta ovat nyt suorittaneet tämän hankalan kietoutumisprosessin kahdelle kalsiumionille, jotka on jäänyt 230 metrin päässä oleviin optisiin onteloihin – mikä vastaa noin kahta jalkapallokenttää – ja jotka on yhdistetty 520 metriä pitkällä optisella kuidulla. Tämä erottelu on loukkuun jääneiden ionien ennätys ja asettaa virstanpylvään kvanttiviestinnässä ja näihin kvanttihiukkasiin perustuvissa laskentajärjestelmissä.

Kohti kvanttiverkkoa

Kvanttiverkot ovat kvanttiviestintäjärjestelmien selkäranka. Heidän vetovoimansa on se, että ne voisivat yhdistää maailman ennennäkemättömään laskentatehoon ja tietoturvaan samalla kun ne parantavat tarkkuutta ja ajan mittaamista sovelluksissa metrologiasta navigointiin. Tällaiset kvanttiverkot koostuisivat kvanttitietokoneista – solmuista – jotka on kytketty toisiinsa fotonien vaihdon kautta. Tämä vaihto voidaan tehdä vapaassa tilassa, samoin kuin valo kulkee avaruuden läpi Auringosta silmiimme. Vaihtoehtoisesti fotonit voidaan lähettää optisten kuitujen kautta, jotka ovat samankaltaisia ​​kuin ne, joita käytetään tiedonsiirtoon Internetiin, televisioon ja puhelinpalveluihin.

Loukkuun jääneisiin ioneihin perustuvat kvanttitietokoneet tarjoavat lupaavan alustan kvanttiverkoille ja kvanttiviestinnälle kahdesta syystä. Yksi on, että niiden kvanttitilat ovat suhteellisen helppoja hallita. Toinen on, että nämä tilat ovat kestäviä ulkoisia häiriöitä vastaan, jotka voivat häiritä solmujen välillä ja solmuissa kuljetettavaa tietoa.

Loukkuun jääneet kalsiumionit

Uusimmassa työssä tutkimusryhmät johtivat Tracy Northup ja Ben Lanyon Innsbruckissa pidättivät kalsiumionit Paul trapsissa – sähkökenttäkonfiguraatiossa, joka tuottaa ioniin voiman ja sulkee sen loukun keskelle. Kalsiumionit ovat houkuttelevia, koska niillä on yksinkertainen elektroninen rakenne ja ne ovat kestäviä melua vastaan. ”Ne ovat yhteensopivia kvanttiverkkoihin tarvittavan teknologian kanssa; ja ne ovat myös helposti vangittuvia ja jäähdytettyjä, joten ne sopivat skaalautuviin kvanttiverkkoihin”, selittää Maria Galli, Innsbruckin tohtoriopiskelija, joka oli mukana työssä, joka kuvataan julkaisussa Fyysisen tarkastelun kirjaimet.

Tutkijat aloittivat sijoittamalla yhden loukkuun jääneen ionin kuhunkin kahdesta erillisestä optisesta ontelosta. Nämä ontelot ovat peiliparien välisiä tiloja, jotka mahdollistavat niiden välisen valon taajuuden tarkan ohjauksen ja virityksen (katso kuva yllä). Tämä tiukka hallinta on ratkaisevan tärkeää ionin ja fotonin tiedon yhdistämisessä tai sotkemisessa.

Kietottuaan ioni-fotonijärjestelmän kummassakin kahdessa ontelossa - verkon solmuissa - tutkijat suorittivat mittauksen luonnehtiakseen sotkeutunutta järjestelmää. Vaikka mittaus tuhoaa sotkeutumisen, tutkijoiden oli toistettava tämä prosessi useita kertoja optimoidakseen tämän vaiheen. Fotonit, joista kukin on kietoutunut yhteen kalsiumionista, välittyy sitten optisen kuidun kautta, joka yhdistää kaksi solmua, jotka sijaitsevat erillisissä rakennuksissa.

Tietojen vaihto

Vaikka tutkijat olisivat voineet siirtää fotonit vapaaseen tilaan, se olisi vaarantanut häiritä ioni-fotoni-kietoutumista useiden melulähteiden vuoksi. Optiset kuidut ovat sitä vastoin pienihäviöisiä, ja ne myös suojaavat fotoneja ja säilyttävät niiden polarisaation, mikä mahdollistaa pidemmän eron solmujen välillä. Ne eivät kuitenkaan ole ihanteellisia. "Havaitsimme joitain ajautumia polarisaatiossa. Tästä syystä karakterisoimme 20 minuutin välein kuidun polarisaatiokiertoa ja korjaamme sen. sanoo Galli.

Molemmat fotonit vaihtavat tietoja vastaavista ioni-fotonijärjestelmistään prosessin kautta, joka tunnetaan nimellä fotonikellon tilamittaus (PBSM). Tässä tilaselektiivisessä ilmaisutekniikassa fotonien aaltofunktiot menevät päällekkäin, mikä luo häiriökuvion, joka voidaan mitata neljällä valodetektorilla.

Lukemalla valoantureiden mitatut signaalit tutkijat voivat kertoa, onko fotonien kuljettama tieto – niiden polarisaatiotila – identtistä vai ei. Vastaavat tulosparit (joko vaaka- tai pystysuuntaiset polarisaatiotilat) ennustavat näin ollen kietoutumisen syntymistä etäisten ionien välillä.

Kompromissit onnistuneeseen sotkeutumiseen

Tutkijoiden täytyi tasapainottaa useita tekijöitä ionien välisen sotkeutumisen aikaansaamiseksi. Yksi on aikaikkuna, jossa he tekevät fotonien lopullisen yhteismittauksen. Mitä pidempi tämä aikaikkuna on, sitä paremmat mahdollisuudet tutkijoilla on havaita fotoneja – mutta kompromissi on, että ionit ovat vähemmän sotkeutuneita. Tämä johtuu siitä, että ne pyrkivät sieppaamaan fotoneja, jotka saapuvat samaan aikaan, ja pidemmän aikaikkunan salliminen voisi saada heidät havaitsemaan fotoneja, jotka todella saapuivat eri aikoina.

Kolmen solmun kvanttiverkko tekee debyyttinsä

Siksi tutkijoiden oli tarkistettava huolellisesti, kuinka paljon sotkeutumista he onnistuivat saavuttamaan tietyllä aikaikkunalla. 1 mikrosekunnin aikaikkunassa he toistivat kokeen yli 13 miljoonaa kertaa tuottaen 555 havaintotapahtumaa. Sitten he mittasivat ionien tilan kussakin solmussa itsenäisesti tarkistaakseen korrelaation, joka oli 88%. "Viimeinen mittausvaiheemme on itse asiassa mitata molempien ionien tila varmistaaksemme, että odotettu tilakorrelaatio on olemassa", Galli sanoo. "Tämä vahvistaa, että olemme onnistuneet luomaan kietoutumisen näiden kahden ionin välille."

Sprintistä maratoniin

Kaksi jalkapallokenttää saattaa tuntua suurelta etäisyydeltä, jonka yli luoda epävarma kvanttisekoittunut tila, mutta Innsbruckin joukkueella on suurempia suunnitelmia. Tekemällä muutoksia, kuten lisäämällä ionien väliseen tiedonsiirtoon käytettyjen fotonien aallonpituutta, tutkijat toivovat voivansa kulkea paljon pidemmän, 50 kilometrin matkan – pidemmän kuin maratonin.

Vaikka muut tutkimusryhmät ovat aiemmin osoittaneet kietoutumista pitemmilläkin etäisyyksillä neutraaleja atomeja käyttäen, ionipohjaisilla alustoilla on tiettyjä etuja. Galli huomauttaa, että loukkuun jääneillä ioneilla suoritettujen kvanttiporttien tarkkuus on parempi kuin atomeille suoritettujen kvanttiporttien, lähinnä siksi, että ionien väliset vuorovaikutukset ovat voimakkaampia ja vakaampia kuin atomien väliset vuorovaikutukset ja ionien koherenssiaika on paljon pidempi.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Osta ja myy osakkeita PRE-IPO-yhtiöissä PREIPO®:lla. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/