Naukowcy z Japonii ogłaszają postęp kwantowy w temperaturze pokojowej – analiza wiadomości w zakresie obliczeń o wysokiej wydajności | wewnątrzHPC

W badaniu wzięli także udział profesor nadzwyczajny Mark Sadgrove i pan Kaito Shimizu z TUS oraz profesor Kae Nemoto z Absolwenta Uniwersytetu Okinawa Institute of Science and Technology. To nowo opracowane jednofotonowe źródło światła eliminuje potrzebę stosowania kosztownych systemów chłodzenia i może sprawić, że sieci kwantowe staną się bardziej opłacalne i dostępne.

Emitery pojedynczych fotonów kwantowo łączą bity (lub kubity) pomiędzy węzłami sieci kwantowych. Zazwyczaj wytwarza się je poprzez osadzenie pierwiastków ziem rzadkich we włóknach optycznych w ekstremalnie niskich temperaturach. Teraz badacze z Japonii, pod kierownictwem profesora nadzwyczajnego Kaoru Sanaki z Uniwersytetu Naukowego w Tokio, opracowali światłowód domieszkowany iterbem w temperaturze pokojowej. Dzięki uniknięciu konieczności stosowania kosztownych rozwiązań chłodzących proponowana metoda stanowi opłacalną platformę do zastosowań w kwantach fotonicznych.

Systemy kwantowe zapewniają szybsze przetwarzanie i silniejsze szyfrowanie systemów obliczeniowych i komunikacyjnych. Systemy te można budować na sieciach światłowodowych obejmujących połączone ze sobą węzły składające się z kubitów i generatorów pojedynczych fotonów tworzących splątane pary fotonów.

Pod tym względem atomy i jony metali ziem rzadkich (RE) w materiałach półprzewodnikowych są bardzo obiecujące jako generatory pojedynczych fotonów. Materiały te są kompatybilne z sieciami światłowodowymi i emitują fotony w szerokim zakresie długości fal. Ze względu na szeroki zakres widmowy światłowody domieszkowane tymi elementami RE mogą znaleźć zastosowanie w różnych zastosowaniach, takich jak telekomunikacja w przestrzeni kosmicznej, telekomunikacja oparta na światłowodach, kwantowe generowanie liczb losowych i analiza obrazu w wysokiej rozdzielczości. Jednak dotychczas opracowano jednofotonowe źródła światła z wykorzystaniem materiałów krystalicznych domieszkowanych RE w temperaturach kriogenicznych, co ogranicza praktyczne zastosowania opartych na nich sieci kwantowych.

Aby wyprodukować światłowód domieszkowany iterbem, badacze zwężyli dostępne na rynku włókno domieszkowane iterbem, stosując technikę nagrzewania i ciągnięcia, podczas której część włókna jest podgrzewana, a następnie ciągnięta z napięciem, aby stopniowo zmniejszać jego średnicę.

Wewnątrz zwężającego się włókna poszczególne atomy RE emitują fotony pod wpływem wzbudzenia laserem. Oddzielenie tych atomów RE odgrywa kluczową rolę w określaniu właściwości optycznych światłowodu. Na przykład, jeśli średnia separacja pomiędzy poszczególnymi atomami RE przekracza granicę dyfrakcji optycznej, która jest określona przez długość fali emitowanych fotonów, emitowane światło z tych atomów wydaje się pochodzić z klastrów, a nie z odrębnych pojedynczych źródeł.

Aby potwierdzić naturę emitowanych fotonów, badacze zastosowali metodę analityczną zwaną autokorelacją, która ocenia podobieństwo między sygnałem a jego opóźnioną wersją. Analizując wzór emitowanych fotonów za pomocą autokorelacji, badacze zaobserwowali emisje nierezonansowe i uzyskali dalsze dowody na emisję fotonów z pojedynczego jonu iterbu w domieszkowanym filtrze.

Chociaż jakość i ilość emitowanych fotonów można jeszcze poprawić, opracowane światłowód z atomami iterbu można wytwarzać bez konieczności stosowania kosztownych systemów chłodzenia. Pokonuje to znaczną przeszkodę i otwiera drzwi do różnych technologii informacji kwantowej nowej generacji. „Zademonstrowaliśmy niedrogie, jednofotonowe źródło światła z możliwością wyboru długości fali i niewymagające stosowania układu chłodzenia. W przyszłości może udostępnić różne technologie informacji kwantowej nowej generacji, takie jak generatory prawdziwych liczb losowych, komunikacja kwantowa, operacje logiki kwantowej i analiza obrazu o wysokiej rozdzielczości wykraczającej poza granicę dyfrakcji” – podsumowuje dr Sanaka.