Forskere i Japan kunngjør romtemperatur kvantefremgang – høyytelses databehandlingsnyhetsanalyse | inne i HPC

Førsteamanuensis Mark Sadgrove og Mr. Kaito Shimizu fra TUS og professor Kae Nemoto fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University var også en del av denne studien. Denne nyutviklede enkeltfoton lyskilden eliminerer behovet for dyre kjølesystemer og har potensial til å gjøre kvantenettverk mer kostnadseffektive og tilgjengelige.

Enkeltfoton-emittere kvantemekanisk kobler kvantebiter (eller qubits) mellom noder i kvantenettverk. De er vanligvis laget ved å legge inn sjeldne jordartselementer i optiske fibre ved ekstremt lave temperaturer. Nå har forskere fra Japan, ledet av førsteamanuensis Kaoru Sanaka fra Tokyo University of Science, utviklet en ytterbium-dopet optisk fiber ved romtemperatur. Ved å unngå behovet for dyre kjøleløsninger, tilbyr den foreslåtte metoden en kostnadseffektiv plattform for fotoniske kvanteapplikasjoner.

Kvantebaserte systemer lover raskere databehandling og sterkere kryptering for beregnings- og kommunikasjonssystemer. Disse systemene kan bygges på fibernettverk som involverer sammenkoblede noder som består av qubits og enkeltfotongeneratorer som skaper sammenfiltrede fotonpar.

I denne forbindelse er sjeldne jordarters (RE) atomer og ioner i faststoffmaterialer svært lovende som enkeltfotongeneratorer. Disse materialene er kompatible med fibernettverk og sender ut fotoner over et bredt spekter av bølgelengder. På grunn av deres brede spektralområde, kan optiske fibre dopet med disse RE-elementene finne bruk i forskjellige applikasjoner, for eksempel telekommunikasjon med ledig plass, fiberbasert telekommunikasjon, generering av kvante tilfeldige tall og høyoppløselig bildeanalyse. Men så langt har enkeltfoton-lyskilder blitt utviklet ved bruk av RE-dopete krystallinske materialer ved kryogene temperaturer, noe som begrenser de praktiske anvendelsene av kvantenettverk basert på dem.

For å fremstille den ytterbium-dopete optiske fiberen, koniske forskerne en kommersielt tilgjengelig ytterbium-dopet fiber ved å bruke en varme-og-trekk-teknikk, hvor en del av fiberen varmes opp og deretter trekkes med spenning for å gradvis redusere diameteren.

Innenfor den koniske fiberen sender individuelle RE-atomer ut fotoner når de eksiteres med en laser. Separasjonen mellom disse RE-atomene spiller en avgjørende rolle for å definere fiberens optiske egenskaper. For eksempel, hvis den gjennomsnittlige separasjonen mellom de individuelle RE-atomene overstiger den optiske diffraksjonsgrensen, som bestemmes av bølgelengden til de utsendte fotonene, ser det utsendte lyset fra disse atomene ut som om det kommer fra klynger i stedet for distinkte individuelle kilder.

For å bekrefte naturen til disse utsendte fotonene, brukte forskerne en analytisk metode kjent som autokorrelasjon, som vurderer likheten mellom et signal og dets forsinkede versjon. Ved å analysere det utsendte fotonmønsteret ved hjelp av autokorrelasjon, observerte forskerne ikke-resonante utslipp og oppnådde ytterligere bevis på fotonutslipp fra det enkle ytterbiumionet i det dopede filteret.

Mens kvaliteten og kvantiteten av utsendte fotoner kan forbedres ytterligere, kan den utviklede optiske fiberen med ytterbium-atomer produseres uten behov for dyre kjølesystemer. Dette overvinner et betydelig hinder og åpner dører til ulike neste generasjons kvanteinformasjonsteknologier. "Vi har demonstrert en rimelig enkeltfoton lyskilde med valgbar bølgelengde og uten behov for et kjølesystem. I forkant kan det muliggjøre ulike neste generasjons kvanteinformasjonsteknologier som sanne tilfeldige tallgeneratorer, kvantekommunikasjon, kvantelogikkoperasjoner og høyoppløselig bildeanalyse utover diffraksjonsgrensen, konkluderer Dr. Sanaka.