Ionii încâlciți au stabilit recordul la distanță lungă – Physics World

Utilizarea luminii și a fibrelor optice pentru a trimite informații de la punctul A la B este astăzi o practică standard, dar dacă am putea sări peste pașii de „trimitere și transport” și pur și simplu să citim informațiile instantaneu? Datorită entanglementului cuantic, această idee nu mai este o operă de ficțiune, ci un subiect de cercetare în curs. Prin încurcarea a două particule cuantice, cum ar fi ionii, oamenii de știință le pot pune într-o stare articulară fragilă în care măsurarea unei particule oferă informații despre cealaltă într-un mod în care acest lucru ar fi imposibil în mod clasic.

Cercetătorii de la Universitatea din Innsbruck, Austria, au efectuat acum acest proces dificil de încurcare pe doi ioni de calciu prinși în cavități optice la 230 m una de cealaltă – echivalentul a aproximativ două terenuri de fotbal – și conectați printr-o fibră optică lungă de 520 m. Această separare este un record pentru ionii prinși și stabilește o piatră de hotar în sistemele de comunicare și calcul cuantice bazate pe aceste particule cuantice.

Spre o rețea cuantică

Rețelele cuantice sunt coloana vertebrală a sistemelor de comunicații cuantice. Printre atracțiile lor se numără faptul că ar putea lega lumea cu o putere de calcul și securitate fără precedent, îmbunătățind în același timp detectarea de precizie și măsurarea timpului pentru aplicații, de la metrologie la navigație. Astfel de rețele cuantice ar consta din calculatoare cuantice – nodurile – conectate prin schimbul de fotoni. Acest schimb se poate face în spațiul liber, în mod similar cu modul în care lumina călătorește prin spațiu de la Soare la ochii noștri. Alternativ, fotonii pot fi trimiși prin fibre optice similare cu cele utilizate pentru transmiterea datelor pentru serviciile de internet, televiziune și telefonie.

Calculatoarele cuantice bazate pe ioni prinși oferă o platformă promițătoare pentru rețelele cuantice și comunicarea cuantică din două motive. Una este că stările lor cuantice sunt relativ ușor de controlat. Celălalt este că aceste stări sunt robuste împotriva perturbațiilor externe care pot perturba informațiile transportate între și la noduri.

Ioni de calciu prinși

În cea mai recentă lucrare, echipele de cercetare conduse de Tracy Northup și Ben Lanyon la Innsbruck ioni de calciu prinși în capcanele Paul – o configurație de câmp electric care produce o forță asupra ionului, limitându-l în centrul capcanei. Ionii de calciu sunt atrăgători pentru că au o structură electronică simplă și sunt robusti împotriva zgomotului. „Sunt compatibile cu tehnologia necesară pentru rețelele cuantice; și sunt, de asemenea, ușor prinse și răcite, prin urmare potrivite pentru rețele cuantice scalabile”, explică Maria Galli, un doctorand la Innsbruck care a fost implicat în lucrare, care este descrisă în Scrisori de recenzie fizică.

Cercetătorii au început prin a plasa un singur ion prins în fiecare dintre cele două cavități optice separate. Aceste cavități sunt spații dintre perechile de oglinzi care permit controlul și reglarea precisă a frecvenței luminii care sară între ele (vezi imaginea de mai sus). Acest control strict este crucial pentru legarea sau încurcarea informațiilor ionului cu cea a fotonului.

După ce au încurcat sistemul ion-fotoni la fiecare dintre cele două cavități – nodurile rețelei – cercetătorii au efectuat o măsurătoare pentru a caracteriza sistemul încurcat. În timp ce măsurarea distruge încurcarea, cercetătorii au trebuit să repete acest proces de mai multe ori pentru a optimiza acest pas. Fotonii, fiecare încurcat cu unul dintre ionii de calciu, sunt apoi transmisi prin fibra optică care leagă cele două noduri, care sunt amplasate în clădiri separate.

Schimbul de informații

În timp ce cercetătorii ar fi putut transfera fotonii în spațiul liber, acest lucru ar fi riscat să perturbe încurcarea ion-foton din cauza mai multor surse de zgomot. Fibrele optice, în schimb, au pierderi reduse și, de asemenea, protejează fotonii și păstrează polarizarea acestora, permițând o separare mai lungă între noduri. Cu toate acestea, ele nu sunt ideale. „Am observat unele deformări în polarizare. Din acest motiv, la fiecare 20 de minute am caracteriza rotația de polarizare a fibrei și am corecta-o.” spune Galli.

Cei doi fotoni fac schimb de informații despre sistemele lor ion-fotoni respective printr-un proces cunoscut sub denumirea de măsurare a stării Bell fotonului (PBSM). În această tehnică de detectare selectivă a stării, funcțiile de undă ale fotonilor sunt suprapuse, creând un model de interferență care poate fi măsurat cu patru fotodetectoare.

Citind semnalele măsurate pe fotodetectoare, cercetătorii pot spune dacă informația transportată de fotoni – starea lor de polarizare – este identică sau nu. Potrivirea perechilor de rezultate (fie stări de polarizare orizontală sau verticală) anunță, în consecință, generarea de încurcare între ionii îndepărtați.

Compensații pentru încurcarea cu succes

Cercetătorii au trebuit să echilibreze mai mulți factori pentru a genera încurcarea între ioni. Una este fereastra de timp în care fac măsurarea comună finală a fotonilor. Cu cât această fereastră de timp este mai lungă, cu atât cercetătorii au mai multe șanse de a detecta fotonii – dar compromisul este că ionii sunt mai puțin încurși. Acest lucru se datorează faptului că au scopul de a captura fotoni care sosesc în același timp, iar permiterea unei ferestre de timp mai lungă i-ar putea determina să detecteze fotoni care au sosit efectiv în momente diferite.

Rețeaua cuantică cu trei noduri își face debutul

Prin urmare, cercetătorii au trebuit să verifice cu atenție cât de multă încurcătură au reușit să obțină pentru o anumită fereastră de timp. Pe o fereastră de timp de 1 microsecundă, ei au repetat experimentul de mai mult de 13 milioane de ori, producând 555 de evenimente de detectare. Apoi au măsurat starea ionilor la fiecare nod independent pentru a verifica corelația, care a fost de 88%. „Pasul nostru final de măsurare este de fapt măsurarea stării ambilor ioni pentru a verifica dacă există corelația așteptată”, spune Galli. „Acest lucru confirmă faptul că am reușit să creăm o încurcătură între cei doi ioni.”

De la un sprint la un maraton

Două terenuri de fotbal pot părea o distanță mare pe care să se creeze o stare precară de încurcătură cuantică, dar echipa Innsbruck are planuri mai mari. Făcând modificări, cum ar fi creșterea lungimii de undă a fotonilor folosiți pentru a transmite informații între ioni, cercetătorii speră să parcurgă o distanță mult mai mare de 50 km – mai mare decât un maraton.

În timp ce alte grupuri de cercetare au demonstrat anterior încurcarea pe distanțe chiar mai mari folosind atomi neutri, platformele bazate pe ioni au anumite avantaje. Galli observă că fidelitățile porților cuantice efectuate cu ioni prinși sunt mai bune decât cele ale porților cuantice efectuate pe atomi, în principal pentru că interacțiunile dintre ioni sunt mai puternice și mai stabile decât interacțiunile dintre atomi și timpul de coerență al ionilor este mult mai lung.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Cumpărați și vindeți acțiuni în companii PRE-IPO cu PREIPO®. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/