Entangled ioner setter langdistanserekord – Physics World

Å bruke lys og optiske fibre til å sende informasjon fra punkt A til B er i dag en standard praksis, men hva om vi kunne hoppe over "sende og bære"-trinnene helt og bare lese informasjon øyeblikkelig? Takket være kvanteforviklinger er denne ideen ikke lenger et fiksjonsverk, men et gjenstand for pågående forskning. Ved å vikle inn to kvantepartikler som ioner, kan forskere sette dem i en skjør felles tilstand der måling av en partikkel gir informasjon om den andre på måter som det ville være umulig klassisk.

Forskere fra Universitetet i Innsbruck, Østerrike, har nå utført denne vanskelige sammenfiltringsprosessen på to kalsiumioner fanget i optiske hulrom 230 m fra hverandre – tilsvarende rundt to fotballbaner – og koblet sammen via en 520 m lang optisk fiber. Denne separasjonen er en rekord for fangede ioner og setter en milepæl i kvantekommunikasjon og beregningssystemer basert på disse kvantepartiklene.

Mot et kvantenettverk

Kvantenettverk er ryggraden i kvantekommunikasjonssystemer. Blant attraksjonene deres er at de kunne koble verden med enestående datakraft og sikkerhet, samtidig som de forbedrer presisjonsføling og tidsmåling for applikasjoner som spenner fra metrologi til navigasjon. Slike kvantenettverk vil bestå av kvantedatamaskiner – nodene – koblet sammen gjennom utveksling av fotoner. Denne utvekslingen kan gjøres i fritt rom, på samme måte som lyset beveger seg gjennom rommet fra solen til øynene våre. Alternativt kan fotonene sendes gjennom optiske fibre som ligner på de som brukes til å overføre data for Internett, TV og telefontjenester.

Kvantedatamaskiner basert på fangede ioner tilbyr en lovende plattform for kvantenettverk og kvantekommunikasjon av to grunner. Den ene er at deres kvantetilstander er relativt enkle å kontrollere. Den andre er at disse tilstandene er robuste mot eksterne forstyrrelser som kan forstyrre informasjonen som bæres mellom og ved nodene.

Fanget kalsiumioner

I det siste arbeidet har forskerteam ledet av Tracy Northup og Ben Lanyon i Innsbruck fanget kalsiumioner i Paul-feller – en elektrisk feltkonfigurasjon som produserer en kraft på ionet som begrenser det i midten av fellen. Kalsiumioner er tiltalende fordi de har en enkel elektronisk struktur og er robuste mot støy. «De er kompatible med teknologi som trengs for kvantenettverk; og de er også lett fanget og avkjølt, derfor egnet for skalerbare kvantenettverk, forklarer Maria Galli, en doktorgradsstudent ved Innsbruck som var involvert i arbeidet, som er beskrevet i Physical Review Letters.

Forskerne begynte med å plassere et enkelt fanget ion i hvert av to separate optiske hulrom. Disse hulrommene er mellomrom mellom speilpar som tillater presis kontroll og innstilling av lysfrekvensen som spretter mellom dem (se bildet over). Denne tette kontrollen er avgjørende for å koble, eller vikle, informasjonen til ionet til fotonets informasjon.

Etter å ha viklet inn ione-fotonsystemet ved hvert av de to hulrommene – nodene i nettverket – utførte forskerne en måling for å karakterisere det sammenfiltrede systemet. Mens målingen ødelegger sammenfiltringen, måtte forskerne gjenta denne prosessen flere ganger for å optimalisere dette trinnet. Fotonene, som hver er viklet inn i et av kalsiumionene, sendes deretter gjennom den optiske fiberen som forbinder de to nodene, som er plassert i separate bygninger.

Utveksle informasjon

Mens forskerne kunne ha overført fotonene i ledig plass, ville dette ha risikert å forstyrre ione-fotonsammenfiltringen på grunn av flere støykilder. Optiske fibre, derimot, har lite tap, og de skjermer også fotonene og bevarer deres polarisering, noe som tillater lengre separasjon mellom nodene. Imidlertid er de ikke ideelle. "Vi observerte noen drifter i polarisasjonen. Av denne grunn vil vi hvert 20. minutt karakterisere polarisasjonsrotasjonen til fiberen og korrigere for den." sier Galli.

De to fotonene utveksler informasjonen om deres respektive ione-fotonsystemer gjennom en prosess kjent som en fotonklokketilstandsmåling (PBSM). I denne tilstandselektive deteksjonsteknikken overlappes fotonenes bølgefunksjoner, og skaper et interferensmønster som kan måles med fire fotodetektorer.

Ved å lese de målte signalene på fotodetektorene kan forskerne fortelle om informasjonen som fotonene bærer – deres polarisasjonstilstand – er identisk eller ikke. Matchende par av utfall (enten horisontale eller vertikale polarisasjonstilstander) varsler følgelig genereringen av sammenfiltring mellom de fjerne ionene.

Avveininger for vellykket sammenfiltring

Forskerne måtte balansere flere faktorer for å generere sammenfiltring mellom ionene. Det ene er tidsvinduet der de gjør den endelige felles målingen av fotonene. Jo lengre dette tidsvinduet er, desto større sjanse har forskerne til å oppdage fotoner – men avveiningen er at ionene er mindre sammenfiltret. Dette er fordi de tar sikte på å fange fotoner som ankommer samtidig, og å tillate et lengre tidsvindu kan føre til at de oppdager fotoner som faktisk ankom til forskjellige tider.

Tre-node kvantenettverk gjør sin debut

Forskerne måtte derfor nøye sjekke hvor mye sammenfiltring de klarte å oppnå for et gitt tidsvindu. Over et tidsvindu på 1 mikrosekund gjentok de eksperimentet mer enn 13 millioner ganger, og produserte 555 deteksjonshendelser. De målte deretter tilstanden til ionene ved hver node uavhengig for å sjekke korrelasjonen, som var 88 %. "Vårt siste måletrinn er faktisk å måle tilstanden til begge ionene for å bekrefte at den forventede tilstandskorrelasjonen er der," sier Galli. "Dette bekrefter at vi har lyktes i å skape sammenfiltring mellom de to ionene."

Fra sprint til maraton

To fotballbaner kan virke som en stor avstand for å skape en prekær kvantesammenfiltret tilstand, men Innsbruck-laget har større planer. Ved å gjøre endringer som å øke bølgelengden til fotoner som brukes til å overføre informasjon mellom ionene, håper forskerne å dekke en mye større avstand på 50 km – lengre enn et maraton.

Mens andre forskningsgrupper tidligere har vist sammenfiltring over enda lengre avstander ved bruk av nøytrale atomer, har ionebaserte plattformer visse fordeler. Galli bemerker at troskapen til kvanteporter utført med fangede ioner er bedre enn kvanteporter utført på atomer, hovedsakelig fordi interaksjoner mellom ioner er sterkere og mer stabile enn interaksjoner mellom atomer og koherenstiden til ioner er mye lengre.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/