絡み合ったイオンが長距離記録を樹立 – Physics World

光や光ファイバーを使って地点 A から地点 B に情報を送信することは今日では標準的な方法ですが、「送って運ぶ」というステップを完全に省略して、単純に瞬時に情報を読み取ることができたらどうなるでしょうか? 量子もつれのおかげで、このアイデアはもはやフィクションではなく、継続的な研究の対象となっています。 イオンなどの XNUMX つの量子粒子を絡ませることで、科学者は粒子を脆弱な結合状態に置くことができ、一方の粒子を測定することで、従来では不可能だった方法でもう一方の粒子に関する情報が得られます。

オーストリアのインスブルック大学の研究者らは、230メートル離れた光空洞（サッカー場約520個分に相当）に捕捉され、長さXNUMXメートルの光ファイバーで接続されたXNUMXつのカルシウムイオンに対して、このトリッキーな絡み合いプロセスを実行した。 この分離は、捕捉されたイオンの記録であり、これらの量子粒子に基づく量子通信および計算システムにおける画期的な出来事となる。

量子ネットワークに向けて

量子ネットワークは、量子通信システムのバックボーンです。 その魅力の XNUMX つは、計測学からナビゲーションに至るまでのアプリケーションの高精度センシングと時間測定を強化しながら、前例のないコンピューティング能力とセキュリティで世界を結び付けることができることです。 このような量子ネットワークは、光子の交換を通じて接続された量子コンピューター (ノード) で構成されます。 この交換は、光が太陽から宇宙を通って私たちの目に届くのと同じように、自由空間で行うことができます。 あるいは、インターネット、テレビ、電話サービスのデータ送信に使用されるのと同様の光ファイバーを通じて光子を送信することもできます。

トラップされたイオンに基づく量子コンピューターは、XNUMX つの理由から量子ネットワークと量子通信に有望なプラットフォームを提供します。 XNUMX つは、量子状態の制御が比較的容易であるということです。 もう XNUMX つは、これらの状態が、ノード間およびノー​​ドで伝送される情報を混乱させる可能性がある外部の摂動に対して堅牢であることです。

トラップされたカルシウムイオン

最新の研究では、以下が率いる研究チームが トレイシー・ノーサップ および ベン・ラニヨン インスブルックでは、イオンに力を発生させてイオンをトラップの中心に閉じ込める電場構成であるポール トラップにカルシウム イオンを閉じ込めました。 カルシウムイオンは、電子構造が単純でノイズに強いことが魅力です。 「それらは量子ネットワークに必要なテクノロジーと互換性があります。 また、トラップされやすく冷却されやすいため、スケーラブルな量子ネットワークに適しています」と説明します。 マリア・ガリ、この研究に関与したインスブルックの博士課程の学生であり、その内容については以下で説明されています。 Physical Review Lettersに.

研究者らは、XNUMX つの別々の光空洞のそれぞれの中に単一のトラップされたイオンを配置することから始めました。 これらのキャビティは、ミラーのペア間のスペースであり、ミラー間で反射する光の周波数の正確な制御と調整を可能にします (上の画像を参照)。 この厳密な制御は、イオンの情報を光子の情報に結び付ける、つまり絡ませるために重要です。

ネットワークのノードである XNUMX つのキャビティのそれぞれでイオン - 光子系をもつれさせた後、研究者らはもつれ系を特徴付ける測定を実行しました。 測定によりもつれは破壊されますが、研究者らはこのステップを最適化するためにこのプロセスを複数回繰り返す必要がありました。 それぞれがカルシウムイオンの XNUMX つと絡み合った光子は、別々の建物にある XNUMX つのノードを接続する光ファイバーを通って送信されます。

情報交換

研究者らは光子を自由空間に転送することもできたかもしれないが、そうすることで、いくつかのノイズ源によりイオンと光子のもつれが破壊される危険があっただろう。 対照的に、光ファイバーは損失が低く、光子を遮蔽して偏光を維持するため、ノード間の距離を長くすることができます。 しかし、それらは理想的なものではありません。 「私たちは分極のドリフトを確かに観察しました。 このため、20 分ごとにファイバーの偏光回転の特性を評価し、それを補正していました。」 とガリさんは言います。

XNUMX つの光子は、光子ベル状態測定 (PBSM) として知られるプロセスを通じて、それぞれのイオン - 光子系の情報を交換します。 この状態選択的検出技術では、光子の波動関数が重なり合い、XNUMX つの光検出器で測定できる干渉パターンが作成されます。

研究者は、光検出器で測定された信号を読み取ることで、光子によって運ばれる情報、つまり偏光状態が同一であるかどうかを知ることができます。 一致する結果のペア (水平偏光状態または垂直偏光状態) は、結果として、離れたイオン間のもつれの生成を告げます。

絡み合いを成功させるためのトレードオフ

研究者らは、イオン間のもつれを生成するためにいくつかの要因のバランスを取る必要がありました。 XNUMX つは、光子の最終的な共同測定を行う時間枠です。 この時間枠が長いほど、研究者が光子を検出できる可能性は高くなりますが、その代わりにイオンの絡み合いが少なくなります。 これは、同時に到着するフォトンを捕捉することを目的としており、より長い時間枠を許可すると、実際には異なる時間に到着したフォトンを検出する可能性があるためです。

3ノード量子ネットワークがデビュー

したがって、研究者は、特定の時間枠内でどの程度の量のもつれを達成できたかを注意深く確認する必要がありました。 1 マイクロ秒の時間枠で実験を 13 万回以上繰り返し、555 件の検出イベントを生成しました。 次に、各ノードのイオンの状態を個別に測定して相関関係を確認したところ、その相関率は 88% でした。 「実際、私たちの最終測定ステップは、両方のイオンの状態を測定して、期待される状態相関があることを確認することです」と Galli 氏は言います。 「これは、XNUMX つのイオン間のもつれを作り出すことに成功したことを裏付けています。」

スプリントからマラソンまで

不安定な量子もつれ状態を作り出すには、サッカー場 50 つという距離は遠いように思えるかもしれないが、インスブルックのチームにはもっと大きな計画がある。 研究者らは、イオン間の情報伝達に使用される光子の波長を長くするなどの変更を加えることで、マラソンよりも長いXNUMXkmというはるかに長い距離をカバーしたいと考えている。

他の研究グループは以前、中性原子を使用してさらに長距離にわたるもつれを実証しましたが、イオンベースのプラットフォームには特定の利点があります。 Galli 氏は、トラップされたイオンを使用して実行される量子ゲートの忠実度は、原子に対して実行される量子ゲートの忠実度よりも優れていると述べています。その主な理由は、イオン間の相互作用が原子間の相互作用よりも強力で安定しており、イオンのコヒーレンス時間がはるかに長いためです。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/