Japanilaiset tutkijat julkistivat huonelämpötilan kvanttiedistyksen – High Performance Computing -uutisanalyysi | HPC:n sisällä

Apulaisprofessori Mark Sadgrove ja Kaito Shimizu TUS:sta sekä professori Kae Nemoto Okinawa Institute of Science and Technology Graduate Universitystä olivat myös osa tätä tutkimusta. Tämä hiljattain kehitetty yhden fotonin valonlähde eliminoi kalliiden jäähdytysjärjestelmien tarpeen ja sillä on potentiaalia tehdä kvanttiverkoista kustannustehokkaampia ja helpommin saavutettavia.

Yhden fotonin emitterit yhdistävät kvanttimekaanisesti kvanttibittejä (tai kubitteja) kvanttiverkkojen solmujen välillä. Ne valmistetaan tyypillisesti upottamalla harvinaisten maametallien elementtejä optisiin kuituihin erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Nyt japanilaiset tutkijat, joita johtaa apulaisprofessori Kaoru Sanaka Tokion tiedeyliopistosta, ovat kehittäneet ytterbium-seostetun optisen kuidun huoneenlämpötilassa. Välttämällä kalliiden jäähdytysratkaisujen tarpeen ehdotettu menetelmä tarjoaa kustannustehokkaan alustan fotonikvanttisovelluksille.

Kvanttipohjaiset järjestelmät lupaavat nopeampaa laskentaa ja vahvempaa salausta laskenta- ja viestintäjärjestelmille. Nämä järjestelmät voidaan rakentaa kuituverkkoihin, joissa on toisiinsa kytkettyjä solmuja, jotka koostuvat kubiteista ja yksifotonigeneraattoreista, jotka luovat kietoutuneita fotonipareja.

Tässä suhteessa harvinaisten maametallien (RE) atomit ja ionit kiinteässä olomuodossa olevissa materiaaleissa ovat erittäin lupaavia yhden fotonin generaattoreina. Nämä materiaalit ovat yhteensopivia kuituverkkojen kanssa ja lähettävät fotoneja laajalla aallonpituusalueella. Laajan spektrialueensa ansiosta näillä RE-elementeillä seostetut optiset kuidut voisivat löytää käyttöä erilaisissa sovelluksissa, kuten vapaan tilan tietoliikenteessä, kuitupohjaisessa tietoliikenteessä, kvanttisatunnaislukujen generoinnissa ja korkearesoluutioisessa kuva-analyysissä. Kuitenkin toistaiseksi yksifotonisia valonlähteitä on kehitetty RE-seostetuilla kiteisillä materiaaleilla kryogeenisissa lämpötiloissa, mikä rajoittaa niihin perustuvien kvanttiverkkojen käytännön sovelluksia.

Ytterbium-seostetun optisen kuidun valmistamiseksi tutkijat kartioivat kaupallisesti saatavilla olevaa ytterbium-seostettua kuitua käyttämällä lämpö- ja vetotekniikkaa, jossa osa kuidusta kuumennetaan ja vedetään sitten jännityksellä sen halkaisijan pienentämiseksi vähitellen.

Suippenevan kuidun sisällä yksittäiset RE-atomit lähettävät fotoneja, kun niitä viritetään laserilla. Näiden RE-atomien erottelulla on ratkaiseva rooli kuidun optisten ominaisuuksien määrittelyssä. Esimerkiksi, jos yksittäisten RE-atomien välinen keskimääräinen erotus ylittää optisen diffraktiorajan, joka määräytyy emittoivien fotonien aallonpituuden perusteella, näiden atomien emittoitu valo näyttää siltä kuin se olisi peräisin klustereista eikä erillisistä yksittäisistä lähteistä.

Näiden emittoivien fotonien luonteen vahvistamiseksi tutkijat käyttivät analyyttistä menetelmää, joka tunnetaan nimellä autokorrelaatio, joka arvioi signaalin ja sen viivästyneen version samankaltaisuuden. Analysoimalla emittoitua fotonikuviota autokorrelaatiolla tutkijat havaitsivat ei-resonanssipäästöjä ja saivat lisäksi todisteita fotonipäästöistä seostetussa suodattimessa olevasta yksittäisestä ytterbium-ionista.

Vaikka emittoivien fotonien laatua ja määrää voidaan parantaa edelleen, kehitetty optinen kuitu ytterbiumatomeilla voidaan valmistaa ilman kalliita jäähdytysjärjestelmiä. Tämä voittaa merkittävän esteen ja avaa ovia erilaisille seuraavan sukupolven kvanttitietoteknologioille. ”Olemme osoittaneet edullisen yksifotonisen valonlähteen valittavalla aallonpituudella ja ilman jäähdytysjärjestelmää. Jatkossa se voi mahdollistaa erilaisia ​​seuraavan sukupolven kvanttitietoteknologioita, kuten todellisia satunnaislukugeneraattoreita, kvanttiviestintää, kvanttilogiikkaoperaatioita ja korkearesoluutioisia kuva-analyysiä diffraktiorajan yli, päättää tohtori Sanaka.