Az összegabalyodott ionok nagy távolsági rekordot döntöttek – Fizika világa

A fény és az optikai szálak használata információ küldésére A pontból B-be ma bevett gyakorlat, de mi lenne, ha teljesen kihagynánk a „küldés és szállítás” lépéseit, és egyszerűen azonnal elolvashatnánk az információkat? A kvantumösszefonódásnak köszönhetően ez az ötlet már nem fikció, hanem folyamatos kutatás tárgya. Két kvantumrészecske, például ionok összefonásával a tudósok törékeny közös állapotba hozhatják őket, ahol az egyik részecske mérése olyan módon ad információt a másikról, ami klasszikusan lehetetlen lenne.

Az ausztriai Innsbrucki Egyetem kutatói most végrehajtották ezt a trükkös összefonódási eljárást két kalciumionon, amelyek egymástól 230 méter távolságra lévő optikai üregekben rekedtek – ami körülbelül két futballpályának felel meg –, és egy 520 méter hosszú optikai szálon keresztül kapcsolták össze. Ez az elválasztás rekordot jelent a csapdába esett ionok tekintetében, és mérföldkövet jelent az ezeken a kvantumrészecskéken alapuló kvantumkommunikációs és számítási rendszerekben.

Egy kvantumhálózat felé

A kvantumhálózatok képezik a kvantumkommunikációs rendszerek gerincét. Vonzerejük közé tartozik, hogy példátlan számítási teljesítménnyel és biztonsággal kapcsolhatják össze a világot, miközben javítják a precíziós érzékelést és az időmérést a metrológiától a navigációig terjedő alkalmazásokban. Az ilyen kvantumhálózatok fotoncserén keresztül összekapcsolt kvantumszámítógépekből – a csomópontokból – állnának. Ezt a cserét a szabad térben is meg lehet valósítani, hasonlóan ahhoz, ahogy a fény a Naptól a szemünkig terjed az űrben. Alternatív megoldásként a fotonok optikai szálakon keresztül is továbbíthatók, amelyek hasonlóak az internetes, televíziós és telefonszolgáltatások adattovábbítására használtakhoz.

A befogott ionokon alapuló kvantumszámítógépek két okból is ígéretes platformot kínálnak a kvantumhálózatokhoz és a kvantumkommunikációhoz. Az egyik az, hogy kvantumállapotaik viszonylag könnyen szabályozhatók. A másik az, hogy ezek az állapotok robusztusak a külső zavarokkal szemben, amelyek megzavarhatják a csomópontok között és a csomópontokon szállított információkat.

Csapdába esett kalciumionok

A legújabb munkában a kutatócsoportok vezetésével Tracy Northup és a Ben Lanyon Innsbruckban kalciumionokat csapdába ejtett Paul csapdákban – egy elektromos térelrendezés, amely erőt hoz létre az ionon, és a csapda közepébe zárja azt. A kalciumionok azért vonzóak, mert egyszerű elektronikus szerkezettel rendelkeznek, és robusztusak a zaj ellen. „Kompatibilisek a kvantumhálózatokhoz szükséges technológiával; és könnyen bezárhatók és lehűthetők, ezért alkalmasak skálázható kvantumhálózatokhoz” – magyarázza Maria Galli, egy innsbrucki PhD-hallgató, aki részt vett a munkában, amely leírása a Fizikai áttekintés betűk.

A kutatók azzal kezdték, hogy egy-egy csapdába esett iont helyeztek el a két különálló optikai üregben. Ezek az üregek a tükörpárok közötti terek, amelyek lehetővé teszik a közöttük visszaverődő fény frekvenciájának pontos szabályozását és hangolását (lásd a fenti képet). Ez a szigorú szabályozás döntő fontosságú az ion információinak a foton információival való összekapcsolásához vagy összefonódásához.

Az ion-foton rendszer összefonódása után a két üregben – a hálózat csomópontjaiban – a kutatók mérést végeztek az összegabalyodott rendszer jellemzésére. Míg a mérés tönkreteszi az összefonódást, a kutatóknak többször meg kellett ismételni ezt a folyamatot, hogy optimalizálják ezt a lépést. A fotonok, amelyek mindegyike belegabalyodik az egyik kalciumionba, a két különálló épületben elhelyezkedő csomópontot összekötő optikai szálon keresztül továbbítják.

Információcsere

Míg a kutatók a fotonokat szabad térben is átvihették volna, ezzel több zajforrás miatt az ion-foton összefonódás megszakítását kockáztatták volna. Ezzel szemben az optikai szálak kis veszteséggel bírnak, emellett árnyékolják a fotonokat és megőrzik polarizációjukat, így hosszabb eltávolodást tesznek lehetővé a csomópontok között. Ezek azonban nem ideálisak. „Megfigyeltünk néhány eltolódást a polarizációban. Emiatt 20 percenként jellemezzük a szál polarizációs forgását és korrigáljuk azt.” mondja Galli.

A két foton kicseréli a megfelelő ion-foton rendszerük információit egy foton Bell-state mérésként (PBSM) ismert folyamaton keresztül. Ebben az állapot-szelektív detektálási technikában a fotonok hullámfüggvényei átfedik egymást, így négy fotodetektorral mérhető interferenciamintázat jön létre.

A fotodetektorokon mért jelek leolvasásával a kutatók meg tudják állapítani, hogy a fotonok által hordozott információ – polarizációs állapotuk – azonos-e vagy sem. Az eredmény párok (akár vízszintes, akár vertikális polarizációs állapotok) összefonódása a távoli ionok közötti összefonódás kialakulását jelzi.

Kompromisszumok a sikeres összefonódásért

A kutatóknak több tényezőt kellett egyensúlyba hozniuk, hogy az ionok között összegabalyodjanak. Az egyik az az időablak, amelyben elvégzik a fotonok végső közös mérését. Minél hosszabb ez az időablak, annál nagyobb esélyük van a kutatóknak a fotonok kimutatására – de a kompromisszum az, hogy az ionok kevésbé összegabalyodnak. Ennek az az oka, hogy céljuk az egy időben érkező fotonok felfogása, és hosszabb időablakot engedve felismerhetik azokat a fotonokat, amelyek valójában különböző időpontokban érkeztek.

Három csomópontos kvantumhálózat debütál

A kutatóknak ezért alaposan ellenőrizniük kellett, hogy egy adott időablakban mekkora összefonódást sikerült elérniük. 1 mikroszekundumos időablakon keresztül több mint 13 millió alkalommal ismételték meg a kísérletet, 555 észlelési eseményt produkálva. Ezután minden csomóponton egymástól függetlenül megmérték az ionok állapotát, hogy ellenőrizzék a korrelációt, ami 88% volt. „Utolsó mérési lépésünk valójában mindkét ion állapotának mérése annak ellenőrzése érdekében, hogy fennáll-e a várt állapotkorreláció” – mondja Galli. "Ez megerősíti, hogy sikerült összefonódást létrehoznunk a két ion között."

Sprinttől maratonig

Két futballpálya nagy távolságnak tűnhet a bizonytalan kvantum kusza állapot létrehozásához, de az innsbrucki csapatnak nagyobb tervei vannak. Azáltal, hogy olyan változtatásokat hajtanak végre, mint például az ionok közötti információtovábbításra használt fotonok hullámhosszának növelése, a kutatók azt remélik, hogy sokkal nagyobb, 50 km-es távolságot tesznek meg, ami hosszabb, mint egy maraton.

Míg más kutatócsoportok korábban semleges atomok felhasználásával még nagyobb távolságokra is begabalyodtak, addig az ionalapú platformoknak vannak bizonyos előnyei. Galli megjegyzi, hogy a befogott ionokkal végrehajtott kvantumkapuk hűsége jobb, mint az atomokon végrehajtott kvantumkapuké, főként azért, mert az ionok közötti kölcsönhatások erősebbek és stabilabbak, mint az atomok közötti kölcsönhatások, és az ionok koherenciaideje sokkal hosszabb.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoAiStream. Web3 adatintelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Részvények vásárlása és eladása PRE-IPO társaságokban a PREIPO® segítségével. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/