להסתבכות תפקיד מכריע במדעי המידע הקוונטי. ניתן להשתמש בו במחשב קוונטי שיכול לבצע מספר פעולות מתמטיות בו זמנית. כדי להשתמש במחשב קוונטי ביעילות, חלקיקים מסובכים רבים חייבים לעבוד יחד. הם המרכיבים החיוניים לחישובים, מה שנקרא qubits.
צוות של פיזיקאים ב- מקס פלנק המכון אופטיקה קוונטית ב-Garching הדגימה כעת, לראשונה, את המשימה הזו עם פוטונים הנפלטים מאטום בודד. הם יכולים ליצור עד 14 פוטונים מסתבכים במהוד אופטי, שניתן להכין למצבים פיזיקליים קוונטיים ספציפיים בצורה ממוקדת ויעילה מאוד. השיטה החדשה תוכל לאפשר בנייה של מחשבים קוונטיים חזקים וחזקים ולשרת שידור נתונים מאובטח בעתיד.
זו הפעם הראשונה שהצוות מייצר עד 14 פוטונים סבוכים בצורה מוגדרת וביעילות גבוהה.
פיליפ תומאס, דוקטורנט במכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית (MPQ) בגרצ'ינג ליד מינכן, אמר: "הטריק בניסוי הזה היה שהשתמשנו באטום בודד כדי לפלוט את הפוטונים ולשזור אותם בצורה מאוד ספציפית. לשם כך, הצבנו אטום רובידיום במרכז חלל אופטי - תא הד לגלים אלקטרומגנטיים. ניתן לטפל במצב האטום במדויק באמצעות אור לייזר בתדר מסוים. באמצעות דופק בקרה נוסף, החוקרים גם הפעילו באופן ספציפי פליטת פוטון שהסתבך עם המצב הקוונטי של האטום".
"חזרנו על התהליך הזה כמה פעמים ובאופן שנקבע מראש. בין לבין בוצע מניפולציה על האטום בצורה מסוימת - בז'רגון טכני: סובב. כך ניתן היה ליצור שרשרת של עד 14 חלקיקי אור שהסתבכו בסיבובים האטומיים והובאו למצב הרצוי”.
"למיטב ידיעתנו, 14 חלקיקי האור המחוברים זה לזה הם המספר הגדול ביותר של פוטונים סבוכים שנוצרו במעבדה עד כה."
"מכיוון ששרשרת הפוטונים הופיעה מאטום בודד, ניתן היה לייצר אותה באופן דטרמיניסטי. המשמעות היא: שבאופן עקרוני, כל פולס בקרה מספק פוטון עם המאפיינים הרצויים. עד כה, הסתבכות הפוטונים התרחשה בדרך כלל בגבישים מיוחדים ולא ליניאריים. החיסרון: חלקיקי האור נוצרים באופן אקראי ובאופן שאינו ניתן לשליטה. זה גם מגביל את מספר החלקיקים הנצרפים למצב קולקטיבי."
השיטה שבה השתמשו מדענים מאפשרת ליצור כל מספר של פוטונים סבוכים. זה גם יעיל: הוכחנו יעילות של כמעט 50 אחוז על ידי מדידת שרשרת הפוטונים שנוצרה.
תומאס אמר, "משמעות הדבר היא: כמעט כל "לחיצת כפתור" שנייה על אטום רובידיום סיפקה חלקיק אור שמיש - הרבה יותר ממה שהושג בניסויים קודמים."
הבמאי גרהרד רמפה אמר, "בסך הכל, העבודה שלנו מסירה מכשול רב שנים בדרך להרחבה, מבוססת מדידה מחשוב קוונטי".
החוקרים ב-MPQ רוצים להיפטר ממכשול אחד נוסף. לדוגמה, שני אטומים יידרשו כמקורות פוטון במהוד עבור פעולות מחשב מורכבות. יש מצב צביר דו מימדי, לפי פיסיקאי קוונטים.
פיליפ תומאס אמר, "אנחנו כבר עובדים על התמודדות עם המשימה הזו".
עיון ביומן:
- Thomas, P., Ruscio, L., Morin, O. et al. יצירה יעילה של מצבי גרף רב-פוטונים סבוכים מאטום בודד. טבע 608, 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
