Atomul din pământuri rare poate face un repetor cuantic la lungimi de undă de telecomunicații – Physics World

Atomul din pământuri rare poate face un repetor cuantic la lungimi de undă de telecomunicații – Physics World

Marca temporală: 13 septembrie 2023, ora 3:24

Imagine a dispozitivului cu erbiu, care este un cip gri care conține o rețea de găuri și două canale asemănătoare unei panglici
Compatibil cu telecomunicații: o imagine a dispozitivului utilizat în experiment. (Cu amabilitatea: Lukasz Dusanowski)

Cercetătorii de la Universitatea Princeton din SUA au făcut un pas cheie către realizarea rețelelor cuantice scalabile datorită unui element de pământ rar: erbium. Erbiul este bun la emiterea și absorbția de fotoni la lungimi de undă folosite în industria telecomunicațiilor, ceea ce reprezintă un avantaj deoarece acești fotoni pot călători pe distanțe lungi cu o atenuare mică în fibrele optice standard. Valorificarea acestei puteri în domeniul cuantic a fost o provocare, dar echipa Princeton a reușit să convingă un dispozitiv bazat pe erbiu să emită fotoni identici – o condiție prealabilă pentru ca repetoarele cuantice să partajeze informații cuantice pe distanțe mari.

„Fibrele dopate cu erbiu sunt folosite ca repetoare clasice pentru a face amplificatoare clasice de fibră pentru toate tipurile de legături de comunicații optice, cum ar fi cablurile submarine pe distanțe lungi”, spune Jeff Thompson, profesor de inginerie electrică și informatică la Princeton și cercetător principal al lucrării. „Deci, pentru mine, a fost foarte natural să încerc să vin cu o versiune cuantică a asta.”

Avantajos, dar dificil de lucrat

Fotonii pot fi purtători naturali de informații, dar sunt greu de agățat și rareori interacționează între ei. Aceasta înseamnă că dacă un foton este pierdut sau informațiile codificate în el se degradează, alți fotoni nu pot veni în ajutor. În schimb, informațiile cuantice trebuie stocate într-un fel de memorie – în acest caz, un atom. „Un repetor cuantic este într-adevăr doar o modalitate de a mapa informațiile cuantice înainte și înapoi între lumină și atomi”, explică Elizabeth Goldschmidt, un profesor de optică cuantică la Universitatea din Illinois-Urbana Champaign, SUA, care nu a fost implicat în lucrare.

În rețelele cuantice bazate pe repetoare, ideea este să se stabilească încrucișarea între două puncte îndepărtate prin împărțirea acelei distanțe în bucăți. Modul în care funcționează este că un repetor cuantic de la un capăt al canalului de distanță lungă emite un foton și, în acest proces, se încurcă cu acesta. Un alt repetor la o distanță scurtă de canal emite și un foton în direcția primului. Când cei doi fotoni se întâlnesc, ei sunt măsurați într-un mod care îi încurcă. Atâta timp cât fotonii rămân încurși cu emițătorii lor respectivi, emițătorii devin și ei încurși. Continuând acest proces de-a lungul lanțului, în cele din urmă cei doi emițători de la capetele opuse ale canalului se vor încurca. Apoi pot fi folosite ca chei partajate într-o schemă de distribuție a cheilor cuantice sau pot partaja un pic de informații cuantice printr-un protocol de teleportare cuantică.

Repetă după mine

Alte tehnologii cu repetoare cuantice au fost dezvoltate folosind diferiți atomi sau defecte ale diamantului. Cu toate acestea, aceste sisteme emit în general fotoni la frecvențe aproape vizibile, care se atenuează rapid în fibrele optice. Pentru a funcționa optim, acestea necesită conversie de frecvență, care este complexă și poate fi costisitoare. Un repetor care emite automat lumină de culoarea dorită ar simplifica foarte mult procesul.

Pentru ca un atom de erbiu să funcționeze ca un astfel de repetor cuantic, două lucruri principale trebuie să meargă corect. În primul rând, atomul trebuie să emită fotoni suficient de repede pentru a face schema practică. În al doilea rând, fotonul emis trebuie să-și păstreze proprietățile cuantice și să rămână încurcat cu atomul care l-a emis în ciuda perturbărilor - o proprietate cunoscută sub numele de coerență.

Din păcate, atomii de erbiu din sălbăticie emit fotoni în bandă de telecomunicații doar foarte rar. Pentru a crește rata de emisie a erbiului la culoarea dorită, echipa a plasat atomul în interiorul unui cristal, la doar nanometri distanță de suprafață. Deasupra acestui cristal, au plasat o cavitate, care este un dispozitiv nanofotonic de siliciu conceput pentru a capta lumina la lungimea de undă precisă pe care o emite erbiul. Prin atomul de erbiu în această cavitate, cercetătorii de la Princeton l-au convins să emită fotoni de telecomunicații de aproape 1000 de ori mai des decât ar fi altfel.

Alege cu înțelepciune

Pentru a păstra coerența cuantică a fotonilor suficient de mult pentru a transmite încurcarea, Thompson și colegii au fost nevoiți să-și aleagă cu mare atenție materialul cristalin. Din mii de posibilități inițiale, au încercat aproximativ 20 în laborator înainte de a se stabili pe tungstat de calciu, ceea ce a adus coerența fotonilor emiși suficient de mare pentru ca aceștia să participe la interferența cuantică unii cu alții. Această interferență cuantică este necesară pentru etapa de măsurare a încrucișării fotonilor în arhitectura repetitorului cuantic.

Următorul pas, despre care cercetătorii de la Princeton spun că este la îndemână, este să demonstreze încurcarea între fotonii emiși de la diferiți atomi de erbiu. După aceea, este o chestiune de a lega repetitoarele împreună pentru a forma un canal de comunicare cuantică. Cercetătorii cred că această tehnologie ar trebui să fie ușor de scalat, deoarece folosește industria fotonică a siliciului matur. „Cred că acesta este un lucru foarte nou și important”, spune Goldschmidt. „Atomii de pământ rari pot păstra o mare parte din coerența excelentă pe care o obțineți cu atomii sau ionii în vid, fiind în același timp extrem de manipulabili și compatibili cu integrarea dispozitivelor, așa cum se arată atât de clar în această lucrare.”

Cercetarea este descrisă în Natură.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii