חוקרים ביפן מכריזים על התקדמות קוונטית בטמפרטורת החדר - ניתוח חדשות מחשוב בעל ביצועים גבוהים | בתוך HPC

פרופסור חבר מארק סדגרוב ומר קאיטו שימיזו מ-TUS ופרופסור קאה נמוטו מאוניברסיטת אוקינאווה לתואר שני למדע וטכנולוגיה היו גם חלק מהמחקר הזה. מקור אור חד פוטון זה שפותח לאחרונה מבטל את הצורך במערכות קירור יקרות ויש לו פוטנציאל להפוך רשתות קוונטיות לחסכוניות ונגישות יותר.

פולטי פוטון בודדים קוונטים מחברים באופן מכני סיביות קוונטיות (או קיוביטים) בין צמתים ברשתות קוונטיות. הם מיוצרים בדרך כלל על ידי הטבעת יסודות אדמה נדירים בסיבים אופטיים בטמפרטורות נמוכות במיוחד. כעת, חוקרים מיפן, בראשות פרופסור חבר קאורו סנקה מאוניברסיטת טוקיו למדע, פיתחו סיב אופטי מסומם באיטרביום בטמפרטורת החדר. על ידי הימנעות מהצורך בפתרונות קירור יקרים, השיטה המוצעת מציעה פלטפורמה חסכונית ליישומים קוונטיים פוטוניים.

מערכות מבוססות קוונטיות מבטיחות מחשוב מהיר יותר והצפנה חזקה יותר עבור מערכות מחשוב ותקשורת. ניתן לבנות מערכות אלו על רשתות סיבים הכוללות צמתים מחוברים המורכבים מקיוביטים ומחוללי פוטון בודדים היוצרים זוגות פוטון מסתבכים.

בהקשר זה, אטומים ויונים של אדמה נדירה (RE) בחומרים במצב מוצק מבטיחים מאוד כמחוללי פוטון בודדים. חומרים אלו תואמים לרשתות סיבים ופולטים פוטונים בטווח רחב של אורכי גל. בשל הטווח הספקטרלי הרחב שלהם, סיבים אופטיים המסוימים ברכיבי RE אלה יכולים למצוא שימוש ביישומים שונים, כגון טלקומוניקציה בשטח פנוי, תקשורת מבוססת סיבים, יצירת מספרים אקראיים קוונטיים וניתוח תמונה ברזולוציה גבוהה. עם זאת, עד כה פותחו מקורות אור חד פוטון באמצעות חומרים גבישיים מסוממים RE בטמפרטורות קריוגניות, מה שמגביל את היישומים המעשיים של רשתות קוונטיות המבוססות עליהם.

כדי לייצר את הסיב האופטי המסומם באיטרביום, החוקרים חידדו סיב מסומם באיטרביום זמין מסחרית באמצעות טכניקת חום ומשיכה, שבה קטע מהסיב מחומם ולאחר מכן נמשך במתח כדי להקטין בהדרגה את קוטרו.

בתוך הסיב המחודד, אטומי RE בודדים פולטים פוטונים כאשר הם נרגשים בלייזר. להפרדה בין אטומי RE אלה יש תפקיד מכריע בהגדרת התכונות האופטיות של הסיב. לדוגמה, אם ההפרדה הממוצעת בין אטומי RE בודדים חורגת מגבול העקיפה האופטית, אשר נקבעת על ידי אורך הגל של הפוטונים הנפלטים, האור הנפלט מאטומים אלו נראה כאילו הוא מגיע מצבירים ולא ממקורות בודדים נפרדים.

כדי לאשר את טבעם של הפוטונים הנפלטים הללו, החוקרים השתמשו בשיטה אנליטית המכונה אוטוקורלציה, אשר מעריכה את הדמיון בין אות לגרסה המושהית שלו. על ידי ניתוח תבנית הפוטונים הנפלטת באמצעות קורלציה אוטומטית, החוקרים צפו בפליטות שאינן מהדהדות והשיגו עדויות נוספות לפליטת פוטון מהיון האיטרביום היחיד במסנן המסומם.

בעוד שניתן לשפר את האיכות והכמות של הפוטונים הנפלטים עוד יותר, ניתן לייצר את הסיב האופטי המפותח עם אטומי איטרביום ללא צורך במערכות קירור יקרות. זה מתגבר על מכשול משמעותי ופותח דלתות לטכנולוגיות מידע קוונטי שונות מהדור הבא. "הדגמנו מקור אור חד פוטון בעלות נמוכה עם אורך גל לבחירה וללא צורך במערכת קירור. בהמשך, זה יכול לאפשר טכנולוגיות מידע קוונטי שונות מהדור הבא, כגון מחוללי מספרים אקראיים אמיתיים, תקשורת קוונטית, פעולות לוגיקה קוונטית וניתוח תמונה ברזולוציה גבוהה מעבר למגבלת העקיפה", מסכם ד"ר סנקה.