אטום אדמה נדירה יכול ליצור משחזר קוונטי באורכי גל טלקום - עולם הפיזיקה

חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון בארה"ב עשו צעד מרכזי לקראת מימוש רשתות קוונטיות הניתנות להרחבה הודות ליסוד אדמה נדיר: ארביום. ארביום טוב בפליטה ובספיגה של פוטונים באורכי גל המשמשים בתעשיית הטלקומוניקציה, וזה יתרון מכיוון שפוטונים אלו יכולים לעבור מרחקים ארוכים עם מעט הנחתה בסיבים אופטיים סטנדרטיים. רתימת הכוח הזה בתחום הקוונטי היה אתגר, אבל צוות פרינסטון הצליח לשדל מכשיר מבוסס ארביום לפלוט פוטונים זהים - תנאי הכרחי לחזרי קוונטים לחלוק מידע קוונטי על פני מרחקים עצומים.

"סיבים מסוממים בארביום משמשים כמחזרים קלאסיים לייצור מגברי סיבים קלאסיים עבור כל מיני קישורי תקשורת אופטיים, כמו כבלים תת-ימיים ארוכי טווח", אומר ג'ף תומפסון, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים בפרינסטון וחוקר ראשי על העבודה. "אז, בעיני, זה היה מאוד טבעי לנסות להמציא גרסה קוונטית של זה."

יתרון, אבל קשה לעבוד איתו

פוטונים עשויים להיות נושאי מידע טבעיים, אבל קשה להיאחז בהם ולעיתים רחוקות הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה. המשמעות היא שאם פוטון הולך לאיבוד או שהמידע המקודד בו מתכלה, פוטונים אחרים לא יכולים לבוא להצלה. במקום זאת, מידע קוונטי צריך להיות מאוחסן בזיכרון כלשהו - במקרה זה, אטום. "משחזר קוונטי הוא למעשה רק דרך למפות מידע קוונטי הלוך ושוב בין אור לאטומים", מסביר אליזבת גולדשמידט, פרופסור לאופטיקה קוונטית באוניברסיטת אילינוי-Urbana Champaign, ארה"ב שלא היה מעורב בעבודה.

ברשתות קוונטיות מבוססות משחזר, הרעיון הוא לבסס הסתבכות בין שתי נקודות מרוחקות על ידי חלוקת המרחק הזה לגושים. הדרך שבה זה עובד היא שמשחזר קוונטי בקצה אחד של הערוץ למרחקים ארוכים פולט פוטון, ותוך כדי כך, מסתבך איתו. משחזר נוסף במרחק קצר במורד הערוץ פולט גם פוטון לכיוון הראשון. כאשר שני הפוטונים נפגשים, הם נמדדים באופן שמסבך אותם. כל עוד הפוטונים נשארים מסובכים עם הפולטים שלהם, גם הפולטים מסתבכים. על ידי המשך תהליך זה לאורך השרשרת, בסופו של דבר שני הפולטים בקצוות מנוגדים של התעלה יסתבכו. אז הם יכולים לשמש כמפתחות משותפים בתוכנית הפצת מפתח קוונטי, או שהם יכולים לשתף מעט מידע קוונטי באמצעות פרוטוקול טלפורטציה קוונטי.

חזור אחרי

טכנולוגיות מחזרות קוונטיות אחרות פותחו תוך שימוש באטומים שונים או פגמים ביהלום. עם זאת, מערכות אלו פולטות בדרך כלל פוטונים בתדרים כמעט נראים, אשר נחלשים במהירות בסיבים אופטיים. כדי לתפקד בצורה מיטבית, הם דורשים המרת תדרים, שהיא מורכבת ויכולה להיות יקרה. משחזר שפולט אוטומטית אור בצבע הרצוי יפשט מאוד את התהליך.

כדי לגרום לאטום ארביום לתפקד כמשחזר קוונטי כזה, שני דברים עיקריים צריכים ללכת כמו שצריך. ראשית, האטום צריך לפלוט פוטונים מספיק מהר כדי להפוך את התוכנית למעשית. שנית, הפוטון הנפלט חייב לשמר את התכונות הקוונטיות שלו ולהישאר מסובך עם האטום שפלט אותו למרות שיבושים - תכונה המכונה קוהרנטיות.

לרוע המזל, אטומי ארביום בטבע פולטים פוטונים של רצועת טלקום רק לעתים רחוקות מאוד. כדי להגביר את קצב פליטת הארביום בצבע הרצוי, הצוות הציב את האטום בתוך גביש, במרחק ננומטר בלבד מפני השטח. על גבי הגביש הזה, הם הציבו חלל, שהוא מכשיר ננו-פוטוני סיליקון שנועד ללכוד אור באורך הגל המדויק שהארביום פולט. על ידי אטום הארביום לחלל הזה, חוקרי פרינסטון שכנעו אותו לפלוט פוטוני טלקום בתדירות גבוהה כמעט פי 1000 ממה שהוא היה עושה אחרת.

תבחר בחכמה

כדי לשמר את הקוהרנטיות הקוונטית של הפוטונים מספיק זמן כדי להעביר הסתבכות, תומפסון ועמיתיו היו צריכים לבחור את החומר הקריסטלי שלהם בקפידה רבה. מאלפי אפשרויות ראשוניות, הם ניסו בערך 20 במעבדה לפני שהתיישבו על סידן טונגסטאט, מה שהביא את הקוהרנטיות של הפוטונים הנפלטים גבוה מספיק כדי שהם יוכלו להשתתף בהפרעות קוונטיות זה עם זה. הפרעה קוונטית זו נחוצה לשלב המדידה של הסתבכות הפוטונים בארכיטקטורת החזר הקוונטים.

משחזרים קוונטיים חדשים יכולים לאפשר אינטרנט קוונטי ניתן להרחבה

השלב הבא, שלדברי החוקרים של פרינסטון נמצא בהישג יד, הוא הדגמת הסתבכות בין פוטונים הנפלטים מאטומי ארביום שונים. לאחר מכן, זה עניין של שרשרת דייזי של המשחזרים יחד כדי ליצור ערוץ תקשורת קוונטי. החוקרים מאמינים שטכנולוגיה זו אמורה להיות קלה לקנה מידה מכיוון שהיא ממנפת את תעשיית הפוטוניקת הסיליקון הבוגרת. "אני חושב שזה דבר מאוד חדשני וחשוב", אומר גולדשמידט. "אטומי כדור הארץ נדירים יכולים לשמור על הרבה מהקוהרנטיות המצוינת שאתה מקבל עם אטומים או יונים בוואקום, תוך שהם מהנדסים מאוד ותואמים לאינטגרציה של מכשירים, כפי שמוצג כל כך בבירור בעבודה זו."

המחקר מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• ChartPrime. הרם את משחק המסחר שלך עם ChartPrime. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/rare-earth-atom-makes-a-quantum-repeater-at-telecom-wavelengths/