Cercetătorii din Japonia anunță un avans cuantic al temperaturii camerei – Calcul de înaltă performanță News Analysis | în interiorul HPC

Profesorul asociat Mark Sadgrove și domnul Kaito Shimizu de la TUS și profesorul Kae Nemoto de la Institutul de Știință și Tehnologie din Okinawa au fost, de asemenea, parte a acestui studiu. Această sursă de lumină cu un singur foton nou dezvoltată elimină necesitatea sistemelor de răcire scumpe și are potențialul de a face rețelele cuantice mai rentabile și mai accesibile.

Emițătorii cu un singur foton conectează mecanic biți cuantici (sau qubiți) între nodurile din rețelele cuantice. Ele sunt de obicei realizate prin încorporarea elementelor din pământuri rare în fibre optice la temperaturi extrem de scăzute. Acum, cercetătorii din Japonia, conduși de profesorul asociat Kaoru Sanaka de la Universitatea de Științe din Tokyo, au dezvoltat o fibră optică dopată cu itterbiu la temperatura camerei. Evitând necesitatea unor soluții costisitoare de răcire, metoda propusă oferă o platformă rentabilă pentru aplicații cuantice fotonice.

Sistemele bazate pe cuantice promit calcule mai rapide și criptare mai puternică pentru sistemele de calcul și comunicații. Aceste sisteme pot fi construite pe rețele de fibră care implică noduri interconectate care constau din qubiți și generatoare de un singur foton care creează perechi de fotoni încâlciți.

În această privință, atomii și ionii de pământuri rare (RE) din materialele în stare solidă sunt foarte promițători ca generatori de fotoni unici. Aceste materiale sunt compatibile cu rețelele de fibră și emit fotoni pe o gamă largă de lungimi de undă. Datorită gamei lor spectrale largi, fibrele optice dopate cu aceste elemente RE ar putea fi utilizate în diverse aplicații, cum ar fi telecomunicațiile în spațiu liber, telecomunicațiile bazate pe fibre, generarea de numere aleatoare cuantice și analiza imaginilor de înaltă rezoluție. Cu toate acestea, până acum, sursele de lumină cu un singur foton au fost dezvoltate folosind materiale cristaline dopate cu RE la temperaturi criogenice, ceea ce limitează aplicațiile practice ale rețelelor cuantice bazate pe acestea.

Pentru a fabrica fibra optică dopată cu iterbiu, cercetătorii au conicizat o fibră dopată cu iterbiu disponibilă în comerț folosind o tehnică de căldură și tragere, în care o secțiune a fibrei este încălzită și apoi trasă cu tensiune pentru a-și reduce treptat diametrul.

În cadrul fibrei conice, atomii individuali RE emit fotoni atunci când sunt excitați cu un laser. Separarea dintre acești atomi RE joacă un rol crucial în definirea proprietăților optice ale fibrei. De exemplu, dacă separarea medie între atomii individuali RE depășește limita de difracție optică, care este determinată de lungimea de undă a fotonilor emiși, lumina emisă de acești atomi pare ca și cum ar proveni din grupuri, mai degrabă decât surse individuale distincte.

Pentru a confirma natura acestor fotoni emiși, cercetătorii au folosit o metodă analitică cunoscută sub numele de autocorelare, care evaluează asemănarea dintre un semnal și versiunea sa întârziată. Analizând modelul de fotoni emisi folosind autocorelarea, cercetătorii au observat emisii nerezonante și au obținut în continuare dovezi ale emisiei de fotoni din ionul de itterbiu unic din filtrul dopat.

În timp ce calitatea și cantitatea fotonilor emiși pot fi îmbunătățite în continuare, fibra optică dezvoltată cu atomi de iterbiu poate fi fabricată fără a fi nevoie de sisteme de răcire costisitoare. Acest lucru depășește un obstacol semnificativ și deschide uși către diverse tehnologii informaționale cuantice de ultimă generație. „Am demonstrat o sursă de lumină cu un singur foton la preț redus, cu lungime de undă selectabilă și fără a fi nevoie de un sistem de răcire. Mergând mai departe, poate permite diverse tehnologii informaționale cuantice de ultimă generație, cum ar fi generatoare de numere aleatoare adevărate, comunicare cuantică, operații cu logica cuantică și analiza imaginilor de înaltă rezoluție dincolo de limita de difracție”, conchide Dr. Sanaka.