Onderzoekers in Japan kondigen Quantum Advance op kamertemperatuur aan - High-Performance Computing Nieuwsanalyse

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Onderzoekers in Japan kondigen Quantum Advance op kamertemperatuur aan - High-Performance Computing Nieuwsanalyse | binnenHPC PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

Universitair hoofddocent Mark Sadgrove en de heer Kaito Shimizu van TUS en professor Kae Nemoto van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University maakten ook deel uit van dit onderzoek. Deze nieuw ontwikkelde lichtbron met één foton elimineert de behoefte aan dure koelsystemen en heeft het potentieel om kwantumnetwerken kosteneffectiever en toegankelijker te maken.

“Lichtbronnen met één foton zijn apparaten die de statistische eigenschappen van fotonen controleren, die de kleinste energie-eenheden van licht vertegenwoordigen”, legt Dr. Sanaka uit. “In deze studie hebben we een lichtbron met één foton ontwikkeld met behulp van een optisch vezelmateriaal gedoteerd met optisch actieve RE-elementen. Uit onze experimenten blijkt ook dat zo’n bron rechtstreeks uit een optische vezel bij kamertemperatuur kan worden gegenereerd.”

Ytterbium is een RE-element met gunstige optische en elektronische eigenschappen, waardoor het een geschikte kandidaat is voor het doteren van de vezel. Het heeft een eenvoudige structuur op energieniveau, en ytterbiumion in zijn aangeslagen toestand heeft een lange fluorescentielevensduur van ongeveer één milliseconde.

Single-foton-emitters verbinden kwantummechanisch kwantumbits (of qubits) tussen knooppunten in kwantumnetwerken. Ze worden doorgaans gemaakt door zeldzame aardmetalen in optische vezels in te bedden bij extreem lage temperaturen. Nu hebben onderzoekers uit Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Kaoru Sanaka van de Tokyo University of Science, een met ytterbium gedoteerde optische vezel bij kamertemperatuur ontwikkeld. Door de noodzaak van dure koeloplossingen te vermijden, biedt de voorgestelde methode een kosteneffectief platform voor fotonische kwantumtoepassingen.

Kwantumgebaseerde systemen beloven sneller computergebruik en sterkere encryptie voor reken- en communicatiesystemen. Deze systemen kunnen worden gebouwd op glasvezelnetwerken met onderling verbonden knooppunten die bestaan uit qubits en generatoren van enkele fotonen die verstrengelde fotonparen creëren.

In dit opzicht zijn zeldzame aardmetalen (RE)-atomen en ionen in vaste-stofmaterialen zeer veelbelovend als generatoren voor afzonderlijke fotonen. Deze materialen zijn compatibel met glasvezelnetwerken en zenden fotonen uit over een breed golflengtebereik. Vanwege hun brede spectrale bereik kunnen optische vezels die met deze RE-elementen zijn gedoteerd, worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals telecommunicatie in de vrije ruimte, op glasvezel gebaseerde telecommunicatie, het genereren van kwantumwillekeurige getallen en beeldanalyse met hoge resolutie. Tot nu toe zijn echter lichtbronnen met één foton ontwikkeld met behulp van opnieuw gedoteerde kristallijne materialen bij cryogene temperaturen, wat de praktische toepassingen van daarop gebaseerde kwantumnetwerken beperkt.

Om de met ytterbium gedoteerde optische vezel te vervaardigen, hebben de onderzoekers een in de handel verkrijgbare met ytterbium gedoteerde vezel taps gemaakt met behulp van een heat-and-pull-techniek, waarbij een deel van de vezel wordt verwarmd en vervolgens onder spanning wordt getrokken om de diameter geleidelijk te verkleinen.

Binnen de taps toelopende vezel zenden individuele RE-atomen fotonen uit wanneer ze worden geëxciteerd met een laser. De scheiding tussen deze RE-atomen speelt een cruciale rol bij het definiëren van de optische eigenschappen van de vezel. Als de gemiddelde afstand tussen de individuele RE-atomen bijvoorbeeld de optische diffractielimiet overschrijdt, die wordt bepaald door de golflengte van de uitgezonden fotonen, lijkt het uitgezonden licht van deze atomen alsof het afkomstig is van clusters in plaats van van verschillende individuele bronnen.

Om de aard van deze uitgezonden fotonen te bevestigen, gebruikten de onderzoekers een analytische methode die bekend staat als autocorrelatie, die de gelijkenis tussen een signaal en de vertraagde versie ervan beoordeelt. Door het uitgezonden fotonenpatroon te analyseren met behulp van autocorrelatie, observeerden de onderzoekers niet-resonante emissies en verkregen ze verder bewijs van fotonenemissie van het enkele ytterbium-ion in het gedoteerde filter.

Hoewel de kwaliteit en kwantiteit van de uitgezonden fotonen verder kunnen worden verbeterd, kan de ontwikkelde optische vezel met ytterbiumatomen worden vervaardigd zonder de noodzaak van dure koelsystemen. Dit overwint een belangrijke hindernis en opent deuren naar verschillende kwantuminformatietechnologieën van de volgende generatie. “We hebben een goedkope lichtbron met één foton gedemonstreerd met een selecteerbare golflengte en zonder de noodzaak van een koelsysteem. In de toekomst kan het verschillende kwantuminformatietechnologieën van de volgende generatie mogelijk maken, zoals generatoren van echte willekeurige getallen, kwantumcommunicatie, kwantumlogische operaties en beeldanalyse met hoge resolutie voorbij de diffractielimiet”, besluit dr. Sanaka.