A ritkaföldfém atomok kvantumismétlőt tud készíteni távközlési hullámhosszon – Fizika világ

A ritkaföldfém atomok kvantumismétlőt tud készíteni távközlési hullámhosszon – Fizika világ

Időbélyeg: 13. szeptember 2023. 3:24

Az erbium eszköz képe, amely egy szürke chip, amely lyukak rácsát és két szalagszerű csatornát tartalmaz
Telekommunikációs kompatibilis: A kísérletben használt eszköz képe. (Jó: Lukasz Dusanowski)

Az egyesült államokbeli Princeton Egyetem kutatói kulcsfontosságú lépést tettek a méretezhető kvantumhálózatok megvalósítása felé egy ritkaföldfém elemnek, az erbiumnak köszönhetően. Az erbium jó a távközlési iparban használt hullámhosszú fotonok kibocsátására és elnyelésére, ami azért előny, mert ezek a fotonok kis csillapítással nagy távolságokat is képesek megtenni szabványos optikai szálakban. Ennek az erőnek a kvantumbirodalomban való hasznosítása kihívást jelentett, de a Princeton csapatának sikerült egy erbium alapú eszközt azonos fotonok kibocsátására késztetni – ez az előfeltétele annak, hogy a kvantumismétlők kvantuminformációkat osszanak meg nagy távolságokon.

"Az erbiummal adalékolt szálakat klasszikus átjátszóként használják klasszikus szálas erősítők előállítására mindenféle optikai kommunikációs kapcsolathoz, például hosszú távú tenger alatti kábelekhez" Jeff Thompson, az elektromos és számítástechnikai mérnök professzora a Princetonban és a munka vezető kutatója. "Szóval számomra nagyon természetes volt, hogy megpróbáltam ennek kvantumváltozatát kitalálni."

Előnyös, de nehéz vele dolgozni

A fotonok lehetnek természetes információhordozók, de nehéz megragadni, és ritkán lépnek kölcsönhatásba egymással. Ez azt jelenti, hogy ha egy foton elveszik, vagy a benne kódolt információ lebomlik, más fotonok nem tudnak segíteni. Ehelyett a kvantuminformációkat valamilyen memóriában kell tárolni – jelen esetben egy atomban. „A kvantumismétlő valójában csak egy módja a kvantuminformációk oda-vissza leképezésének a fény és az atomok között” – magyarázza. Goldschmidt Erzsébet, az Illinois-Urbana Champaign Egyetem kvantumoptika professzora, aki nem vett részt a munkában.

Az átjátszó alapú kvantumhálózatokban az ötlet az, hogy összefonódást hozzanak létre két távoli pont között úgy, hogy ezt a távolságot darabokra osztják. Ez úgy működik, hogy a nagy távolságú csatorna egyik végén lévő kvantumismétlő fotont bocsát ki, és közben belegabalyodik. A csatornán egy kis távolságban egy másik átjátszó szintén fotont bocsát ki az első irányába. Amikor a két foton találkozik, úgy mérik őket, hogy összefonják őket. Amíg a fotonok összegabalyodnak a megfelelő kibocsátóikkal, addig az emitterek is összegabalyodnak. Ha ezt a folyamatot a láncon lefelé folytatjuk, végül a csatorna ellentétes végén lévő két emitter összegabalyodik. Ezután megosztott kulcsként használhatók egy kvantumkulcs-elosztási sémában, vagy megoszthatnak egy kis kvantuminformációt egy kvantumteleportációs protokollon keresztül.

Ismételd utánam

Más kvantumismétlő technológiákat fejlesztettek ki a gyémánt különböző atomjainak vagy hibáinak felhasználásával. Ezek a rendszerek azonban általában közel látható frekvenciájú fotonokat bocsátanak ki, amelyek az optikai szálakban gyorsan gyengülnek. Az optimális működésükhöz frekvenciaátalakítás szükséges, ami bonyolult és költséges is lehet. A kívánt színű fényt automatikusan kibocsátó átjátszó nagyban leegyszerűsítené a folyamatot.

Ahhoz, hogy egy erbium atom ilyen kvantumismétlőként működjön, két fő dolognak kell megfelelnie. Először is, az atomnak elég gyorsan kell fotonokat kibocsátania ahhoz, hogy a rendszer praktikus legyen. Másodszor, a kibocsátott fotonnak meg kell őriznie kvantumtulajdonságait, és meg kell maradnia az atommal, amely kibocsátotta a zavarok ellenére – ezt a tulajdonságot koherenciának nevezik.

Sajnos a vadon élő erbium atomok csak nagyon ritkán bocsátanak ki távközlési sáv fotonokat. Az erbium kibocsátásának a kívánt színre való növelése érdekében a csapat az atomot egy kristály belsejébe helyezte, csupán nanométernyire a felszíntől. A kristály tetején egy üreget helyeztek el, amely egy szilícium nanofotonikus eszköz, amelyet arra terveztek, hogy az erbium által kibocsátott pontos hullámhosszon megfogja a fényt. A princetoni kutatók az erbiumatommal az üregbe jutva rávették, hogy csaknem 1000-szer gyakrabban bocsátson ki távközlési fotonokat, mint egyébként.

Válassz bölcsen

Ahhoz, hogy a fotonok kvantumkoherenciáját elég hosszú ideig megőrizzék az összefonódás átviteléhez, Thompsonnak és munkatársainak nagyon körültekintően kellett kiválasztaniuk a kristályanyagot. A kezdeti lehetőségek ezrei közül körülbelül 20-at próbáltak ki a laboratóriumban, mielőtt ráálltak a kalcium-volframátra, amely elég magasra hozta a kibocsátott fotonok koherenciáját ahhoz, hogy részt vegyenek az egymás közötti kvantuminterferenciában. Ez a kvantuminterferencia szükséges a kvantum-ismétlő architektúrában a foton-összefonódás mérési szakaszához.

A következő lépés, amely a princetoni kutatók szerint elérhető, a különböző erbiumatomokból kibocsátott fotonok közötti összefonódás bemutatása. Ezt követően az ismétlőket össze kell kötni, hogy kvantumkommunikációs csatornát alkossanak. A kutatók úgy vélik, hogy ennek a technológiának könnyen skálázhatónak kell lennie, mivel kihasználja az érett szilícium fotonikai ipart. „Úgy gondolom, hogy ez egy nagyon újszerű és fontos dolog” – mondja Goldschmidt. "A ritkaföldfém atomok megőrizhetik az atomokkal vagy ionokkal vákuumban elért kiváló koherenciájának nagy részét, miközben rendkívül jól megtervezhetők és kompatibilisek az eszközintegrációval, amint azt ebben a munkában is nagyon jól mutatja."

A kutatás leírása a Természet.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa