Japán kutatók bejelentették a szobahőmérséklet kvantum-előrehaladását – a nagy teljesítményű számítástechnikai hírelemzést | belül HPC

Mark Sadgrove docens és Kaito Shimizu úr a TUS-tól, valamint Kae Nemoto professzor az Okinawai Tudományos és Technológiai Intézettől szintén részt vett ebben a tanulmányban. Ez az újonnan kifejlesztett egyfoton fényforrás szükségtelenné teszi a drága hűtőrendszereket, és lehetővé teszi a kvantumhálózatok költséghatékonyabbá és hozzáférhetőbbé tételét.

Az egyfoton emitterek kvantummechanikusan kötik össze a kvantumbiteket (vagy qubiteket) a kvantumhálózatok csomópontjai között. Általában ritkaföldfém elemek optikai szálakba ágyazásával készülnek rendkívül alacsony hőmérsékleten. Japán kutatók Kaoru Sanaka, a Tokiói Tudományegyetem docense vezetésével szobahőmérsékleten egy itterbiummal adalékolt optikai szálat fejlesztettek ki. A költséges hűtési megoldások elkerülésével a javasolt módszer költséghatékony platformot kínál a fotonikus kvantum alkalmazásokhoz.

A kvantumalapú rendszerek gyorsabb számítástechnikát és erősebb titkosítást ígérnek a számítási és kommunikációs rendszerek számára. Ezek a rendszerek olyan szálas hálózatokra építhetők, amelyek összekapcsolt csomópontokat foglalnak magukban, amelyek qubitekből és egyfoton generátorokból állnak, amelyek összefonódott fotonpárokat hoznak létre.

Ebben a tekintetben a ritkaföldfém (RE) atomok és ionok szilárdtest anyagokban rendkívül ígéretesek, mint egyfotongenerátorok. Ezek az anyagok kompatibilisek az üvegszálas hálózatokkal, és széles hullámhossz-tartományban bocsátanak ki fotonokat. Széles spektrális tartományuk miatt az ezekkel a RE elemekkel adalékolt optikai szálak különféle alkalmazásokban használhatók, mint például a szabad tér távközlésében, a szál alapú távközlésben, a kvantum véletlenszám-generálásban és a nagy felbontású képelemzésben. Eddig azonban egyfoton fényforrásokat fejlesztettek ki RE-adalékolt kristályos anyagok felhasználásával kriogén hőmérsékleten, ami korlátozza az ezeken alapuló kvantumhálózatok gyakorlati alkalmazását.

Az itterbiummal adalékolt optikai szál előállításához a kutatók a kereskedelemben kapható, itterbiummal adalékolt szálat kúposra vágták hő- és húzótechnikával, ahol a szál egy részét felmelegítik, majd feszítéssel húzzák, hogy fokozatosan csökkentsék az átmérőjét.

A kúpos szálon belül az egyes RE atomok fotonokat bocsátanak ki, amikor lézerrel gerjesztik. Ezen RE atomok elválasztása döntő szerepet játszik a szál optikai tulajdonságainak meghatározásában. Például, ha az egyes RE atomok közötti átlagos elválasztás meghaladja az optikai diffrakciós határt, amelyet a kibocsátott fotonok hullámhossza határoz meg, az ezekből az atomokból kibocsátott fény úgy tűnik, mintha klaszterekből származna, nem pedig különálló egyedi forrásokból.

A kibocsátott fotonok természetének megerősítésére a kutatók egy autokorreláció néven ismert analitikai módszert alkalmaztak, amely felméri a jel és a késleltetett változat közötti hasonlóságot. A kibocsátott fotonmintázat autokorreláció segítségével történő elemzésével a kutatók nem rezonáns emissziót figyeltek meg, és további bizonyítékot szereztek az adalékolt szűrőben lévő egyetlen ittbium-ionból származó fotonkibocsátásra.

Míg a kibocsátott fotonok minősége és mennyisége tovább javítható, a kifejlesztett itterbiumatomos optikai szál drága hűtőrendszerek nélkül is előállítható. Ez egy jelentős akadályt leküzd, és ajtót nyit a különféle következő generációs kvantuminformációs technológiák előtt. „Bemutattunk egy alacsony költségű, egyfoton fényforrást, választható hullámhosszúsággal, és nincs szükség hűtőrendszerre. Továbblépve, lehetővé teheti a különféle új generációs kvantuminformációs technológiákat, mint például a valódi véletlenszám-generátorokat, a kvantumkommunikációt, a kvantumlogikai műveleteket és a nagy felbontású képelemzést a diffrakciós határon túl” – összegzi Dr. Sanaka.