Splątane jony ustanowiły rekord długodystansowy – Physics World

Używanie światłowodów i światłowodów do przesyłania informacji z punktu A do punktu B jest dziś standardową praktyką, ale co by było, gdybyśmy mogli całkowicie pominąć etapy „wysyłania i przenoszenia” i po prostu natychmiast odczytywać informacje? Dzięki splątaniu kwantowemu pomysł ten nie jest już fikcją, ale przedmiotem ciągłych badań. Poprzez splątanie dwóch cząstek kwantowych, takich jak jony, naukowcy mogą wprowadzić je w stan kruchego połączenia, w którym pomiar jednej cząstki dostarcza informacji o drugiej w sposób, który byłby niemożliwy w klasyczny sposób.

Naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii przeprowadzili teraz ten trudny proces splątania na dwóch jonach wapnia uwięzionych we wnękach optycznych oddalonych od siebie o 230 m – co odpowiada około dwóm boiskom do piłki nożnej – i połączonych światłowodem o długości 520 m. Ta separacja jest rekordem dla uwięzionych jonów i stanowi kamień milowy w kwantowej komunikacji i systemach obliczeniowych opartych na tych kwantowych cząstkach.

W kierunku sieci kwantowej

Sieci kwantowe są podstawą kwantowych systemów komunikacyjnych. Wśród ich atrakcji jest to, że mogą połączyć świat z niespotykaną mocą obliczeniową i bezpieczeństwem, jednocześnie zwiększając precyzję wykrywania i pomiaru czasu w zastosowaniach od metrologii po nawigację. Takie sieci kwantowe składałyby się z komputerów kwantowych – węzłów – połączonych poprzez wymianę fotonów. Ta wymiana może odbywać się w wolnej przestrzeni, podobnie jak światło podróżuje w przestrzeni od Słońca do naszych oczu. Alternatywnie fotony mogą być przesyłane przez światłowody podobne do tych, które są używane do przesyłania danych w usługach internetowych, telewizyjnych i telefonicznych.

Komputery kwantowe oparte na uwięzionych jonach stanowią obiecującą platformę dla sieci kwantowych i komunikacji kwantowej z dwóch powodów. Jednym z nich jest to, że ich stany kwantowe są stosunkowo łatwe do kontrolowania. Drugim jest to, że stany te są odporne na zewnętrzne perturbacje, które mogą zakłócić informacje przenoszone między węzłami i w węzłach.

Uwięzione jony wapnia

W najnowszej pracy zespoły badawcze kierowane przez Tracy Northup i Bena Lanyona w Innsbrucku uwięzili jony wapnia w pułapkach Paula – konfiguracja pola elektrycznego, która wytwarza siłę działającą na jon, ograniczając go w środku pułapki. Jony wapnia są atrakcyjne, ponieważ mają prostą strukturę elektronową i są odporne na hałas. „Są kompatybilne z technologią potrzebną dla sieci kwantowych; a także łatwo je uwięzić i schłodzić, dzięki czemu nadają się do skalowalnych sieci kwantowych”, wyjaśnia Marii Galii, doktorant w Innsbrucku, który brał udział w pracach opisanych w Physical Review Letters.

Naukowcy rozpoczęli od umieszczenia pojedynczego uwięzionego jonu w każdej z dwóch oddzielnych wnęk optycznych. Te wnęki to przestrzenie między parami luster, które umożliwiają precyzyjną kontrolę i dostrajanie częstotliwości światła odbijającego się między nimi (patrz zdjęcie powyżej). Ta ścisła kontrola ma kluczowe znaczenie dla łączenia lub splątania informacji o jonach z informacjami o fotonie.

Po splątaniu układu jonowo-fotonowego w każdej z dwóch wnęk – węzłów sieci – naukowcy przeprowadzili pomiary, aby scharakteryzować splątany układ. Podczas gdy pomiar niszczy splątanie, naukowcy musieli powtórzyć ten proces wiele razy, aby zoptymalizować ten krok. Fotony, z których każdy jest splątany z jednym z jonów wapnia, są następnie przesyłane przez światłowód, który łączy dwa węzły, które znajdują się w oddzielnych budynkach.

Wymieniać informacje

Chociaż naukowcy mogli przenosić fotony w wolnej przestrzeni, ryzykowałoby to zakłóceniem splątania jon-foton z powodu kilku źródeł szumu. Natomiast światłowody charakteryzują się niskimi stratami, a także osłaniają fotony i zachowują ich polaryzację, umożliwiając dłuższą separację między węzłami. Jednak nie są idealne. „Zaobserwowaliśmy pewne dryfy w polaryzacji. Z tego powodu co 20 minut charakteryzowaliśmy rotację polaryzacji światłowodu i korygowaliśmy ją”. mówi Gally.

Dwa fotony wymieniają informacje o swoich systemach jon-foton w procesie znanym jako fotonowy pomiar stanu Bella (PBSM). W tej technice detekcji selektywnej względem stanu funkcje falowe fotonów nakładają się, tworząc wzór interferencji, który można zmierzyć za pomocą czterech fotodetektorów.

Odczytując zmierzone sygnały na fotodetektorach, naukowcy mogą stwierdzić, czy informacje przenoszone przez fotony – ich stan polaryzacji – są identyczne, czy nie. Dopasowane pary wyników (stany polaryzacji poziomej lub pionowej) w konsekwencji zwiastują generowanie splątania między odległymi jonami.

Kompromisy dla udanego splątania

Naukowcy musieli zrównoważyć kilka czynników, aby wygenerować splątanie między jonami. Jednym z nich jest okno czasowe, w którym dokonują ostatecznego wspólnego pomiaru fotonów. Im dłuższe jest to okno czasowe, tym większa szansa, że ​​naukowcy wykryją fotony – ale kompromis polega na tym, że jony są mniej splątane. Dzieje się tak dlatego, że ich celem jest wyłapywanie fotonów, które docierają w tym samym czasie, a dłuższe okno czasowe może doprowadzić ich do wykrycia fotonów, które faktycznie przybyły w różnym czasie.

Debiut trójwęzłowej sieci kwantowej

Naukowcy musieli więc dokładnie sprawdzić, ile splątania udało im się osiągnąć w danym oknie czasowym. W oknie czasowym 1 mikrosekundy powtórzyli eksperyment ponad 13 milionów razy, wytwarzając 555 zdarzeń wykrywania. Następnie zmierzyli stan jonów w każdym węźle niezależnie, aby sprawdzić korelację, która wyniosła 88%. „Naszym ostatnim krokiem pomiarowym jest w rzeczywistości zmierzenie stanu obu jonów w celu sprawdzenia, czy istnieje oczekiwana korelacja stanu” – mówi Galli. „To potwierdza, że ​​udało nam się stworzyć splątanie między dwoma jonami”.

Od sprintu do maratonu

Dwa boiska piłkarskie mogą wydawać się dużą odległością, na której można stworzyć niepewny stan splątania kwantowego, ale zespół z Innsbrucku ma większe plany. Wprowadzając zmiany, takie jak zwiększenie długości fali fotonów wykorzystywanych do przesyłania informacji między jonami, naukowcy mają nadzieję pokonać znacznie większy dystans 50 km – dłuższy niż maraton.

Podczas gdy inne grupy badawcze wykazały wcześniej splątanie na jeszcze większych odległościach przy użyciu neutralnych atomów, platformy jonowe mają pewne zalety. Galli zauważa, że ​​wierność bramek kwantowych wykonanych z uwięzionymi jonami jest lepsza niż bramek kwantowych wykonanych na atomach, głównie dlatego, że oddziaływania między jonami są silniejsze i bardziej stabilne niż oddziaływania między atomami, a czas koherencji jonów jest znacznie dłuższy.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/