Harvinaisen maametallin atomi voi tehdä kvanttitoistimen televiestinnän aallonpituuksilla – Physics World

Yhdysvaltalaisen Princetonin yliopiston tutkijat ovat ottaneet tärkeän askeleen kohti skaalautuvien kvanttiverkkojen toteuttamista harvinaisen maametallin, erbiumin, ansiosta. Erbium on hyvä emittoimaan ja absorboimaan fotoneja telekommunikaatioteollisuudessa käytetyillä aallonpituuksilla, mikä on etu, koska nämä fotonit voivat kulkea pitkiä matkoja pienellä vaimenemisella tavallisissa optisissa kuiduissa. Tämän voiman hyödyntäminen kvanttimaailmassa on ollut haaste, mutta Princeton-tiimi onnistui houkuttelemaan erbiumpohjaisen laitteen lähettämään identtisiä fotoneja – edellytys kvanttitoistimille kvanttitietojen jakamiselle valtavien etäisyyksien yli.

"Erbium-seostettuja kuituja käytetään klassisina toistimina klassisten kuituvahvistimien valmistukseen kaikenlaisiin optisiin tietoliikenneyhteyksiin, kuten pitkän matkan merenalaisiin kaapeleihin", sanoo Jeff Thompson, sähkö- ja tietokonetekniikan professori Princetonissa ja työn päätutkija. "Joten minusta oli hyvin luonnollista yrittää keksiä siitä kvanttiversio."

Edullinen, mutta hankala työskennellä

Fotonit voivat olla luonnollisia tiedon välittäjiä, mutta niihin on vaikea tarttua ja ne ovat harvoin vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tämä tarkoittaa, että jos fotoni katoaa tai siihen koodattu tieto hajoaa, muut fotonit eivät voi tulla apuun. Sen sijaan kvanttiinformaatio täytyy tallentaa jonkinlaiseen muistiin – tässä tapauksessa atomiin. "Kvanttitoistin on oikeastaan ​​vain tapa kartoittaa kvanttitietoa edestakaisin valon ja atomien välillä", selittää. Elizabeth Goldschmidt, kvanttioptiikan professori Illinois-Urbana Champaignin yliopistossa Yhdysvalloissa, joka ei ollut mukana työhön.

Toistinpohjaisissa kvanttiverkoissa ajatuksena on luoda kietoutuminen kahden etäisen pisteen välille jakamalla tämä etäisyys paloiksi. Tämä toimii siten, että pitkän matkan kanavan toisessa päässä oleva kvanttitoistin lähettää fotonin ja prosessissa sotkeutuu siihen. Toinen toistin lyhyen matkan päässä kanavasta lähettää myös fotonin ensimmäisen suunnassa. Kun kaksi fotonia kohtaavat, ne mitataan tavalla, joka sotkee ​​ne toisiinsa. Niin kauan kuin fotonit pysyvät sotkeutuneena vastaaviin emittereihinsä, myös emitterit takertuvat. Jatkamalla tätä prosessia ketjussa, lopulta kanavan vastakkaisissa päissä olevat kaksi emitteriä takertuvat. Sitten niitä voidaan käyttää jaettuina avaimina kvanttiavaimen jakelujärjestelmässä tai ne voivat jakaa vähän kvanttitietoa kvanttiteleportaatioprotokollan kautta.

Toista perässäni

Muita kvanttitoistintekniikoita on kehitetty käyttämällä erilaisia ​​timantin atomeja tai vikoja. Nämä järjestelmät kuitenkin yleensä lähettävät fotoneja lähes näkyvillä taajuuksilla, jotka vaimenevat nopeasti optisissa kuiduissa. Toimiakseen optimaalisesti ne vaativat taajuusmuunnoksen, joka on monimutkaista ja voi olla kallista. Toistin, joka lähettää automaattisesti halutun väristä valoa, yksinkertaistaisi prosessia huomattavasti.

Jotta erbiumatomi toimisi sellaisena kvanttitoistimena, kahden pääasia on mentävä oikein. Ensinnäkin atomin on emittoitava fotoneja riittävän nopeasti, jotta järjestelmästä tulee käytännöllinen. Toiseksi, emittoituneen fotonin on säilytettävä kvanttiominaisuutensa ja pysyttävä sotkeutuneena atomiin, joka säteili sitä häiriöistä huolimatta – tämä ominaisuus tunnetaan koherenssina.

Valitettavasti erbiumatomit luonnossa lähettävät tietoliikennekaistan fotoneja vain hyvin harvoin. Nostaakseen erbiumin päästönopeutta halutulla värillä, ryhmä sijoitti atomin kiteen sisään, vain nanometrien päähän pinnasta. Tämän kiteen päälle he asettivat ontelon, joka on piin nanofotoninen laite, joka on suunniteltu vangitsemaan valoa tarkalla aallonpituudella, jonka erbium lähettää. Erbiumatomin avulla tähän onteloon Princetonin tutkijat suostuttelivat sen lähettämään televiestintäfotoneja lähes 1000 kertaa useammin kuin se muuten tekisi.

Valitse viisaasti

Säilyttääkseen fotonien kvanttikoherenssin riittävän pitkään kietoutumisen välittämiseksi, Thompsonin ja kollegoiden oli valittava kidemateriaalinsa erittäin huolellisesti. Tuhansista alkuperäisistä mahdollisuuksista he kokeilivat noin 20:tä laboratoriossa ennen kuin asettuivat kalsiumvolframaattiin, joka nosti emittoituneiden fotonien koherenssin riittävän korkeaksi, jotta ne voivat osallistua toistensa kvanttihäiriöihin. Tämä kvanttihäiriö on välttämätön kvanttitoistinarkkitehtuurin fotonien kietoutumisen mittausvaiheessa.

Uudet kvanttitoistimet voisivat mahdollistaa skaalautuvan kvantti-internetin

Seuraava askel, jonka Princetonin tutkijat sanovat olevan käden ulottuvilla, on osoittaa kietoutuminen eri erbiumatomeista lähtevien fotonien välillä. Sen jälkeen on kyse toistimien ketjuttamisesta yhteen muodostamaan kvanttiviestintäkanava. Tutkijat uskovat, että tämän tekniikan pitäisi olla helppo skaalata, koska se hyödyntää kypsää piin fotoniikkateollisuutta. "Mielestäni tämä on hyvin uusi ja tärkeä asia", Goldschmidt sanoo. "Harvinaisten maametallien atomit voivat säilyttää suuren osan erinomaisesta koherenssista, jonka saat atomien tai ionien kanssa tyhjiössä, samalla kun ne ovat erittäin suunniteltuja ja yhteensopivia laiteintegraation kanssa, kuten tässä työssä niin selvästi näkyy."

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• ChartPrime. Nosta kaupankäyntipeliäsi ChartPrimen avulla. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/rare-earth-atom-makes-a-quantum-repeater-at-telecom-wavelengths/