Микроволновые фотоны запутались с оптическими фотонами

Протокол для запутывания микроволновых и оптических фотонов был продемонстрирован исследователями в Австрии. Это может помочь решить одну из центральных проблем при формировании квантового интернета, позволяя схемам микроволновой частоты обмениваться квантовой информацией через оптические волокна.

Центральное видение, лежащее в основе квантового интернета, впервые было сформулировано еще в 2008 году Джефф Кимбл Калифорнийского технологического института в США, заключается в том, что сетевые квантовые процессоры могут обмениваться квантовой информацией так же, как классические компьютеры обмениваются классической информацией через Интернет. Однако передача квантовой информации гораздо сложнее, потому что фоновый шум может разрушить квантовые суперпозиции в процессе, называемом декогеренцией.

Многие из самых мощных существующих квантовых компьютеров, такие как Osprey от IBM, используют сверхпроводящие кубиты. Они работают на микроволновых частотах, что делает их чрезвычайно уязвимыми для воздействия фонового теплового излучения — и объясняет, почему их необходимо хранить при криогенных температурах. Это также чрезвычайно затрудняет передачу информации между сверхпроводящими кубитами. «[Один из способов] — создать ультрахолодные ссылки», — объясняет Йоханнес Финк Института науки и технологий Австрии в Клостернойбурге. «Запись была просто опубликованной в природа [к Группа Андреаса Вальраффа в ETH Zurich в Швейцарии и коллегами]: 30 м при 10–50 мК — это создает некоторые проблемы для масштабирования». Напротив, говорит он, «волоконная оптика очень хорошо работает для связи — мы используем ее все время, когда выходим в Интернет».

Квантовая трансдукция

Таким образом, чрезвычайно ценной была бы схема, при которой квантовая информация могла бы передаваться между микроволновыми кубитами путем отправки фотонов по оптическим волокнам. Наиболее прямым подходом является квантовая трансдукция, при которой при взаимодействии с третьим фотоном микроволновый фотон преобразуется с повышением частоты в оптический фотон, который можно передавать по волокну.

К сожалению, практическая реализация этого процесса также приводит к потерям и шуму: «Вы отправляете десять фотонов, и, возможно, только один из них преобразуется… и, возможно, ваше устройство добавляет несколько дополнительных фотонов, потому что было жарко или по какой-то другой причине», — говорит доктор философии Финка. студент Ришаб Саху, который является соавтором статьи, описывающей это последнее исследование. «Оба из них снижают точность трансдукции».

Альтернативный способ передачи квантовой информации называется квантовой телепортацией и впервые был экспериментально продемонстрирован в 1997 году группой Антона Цайлингера в Университете Инсбрука, для которой Цайлингер поделился Нобелевская премия по физике 2022 г.. Когда кубит взаимодействует с одним фотоном в запутанной паре, его собственное квантовое состояние запутывается со вторым фотоном.

Обмен запутанностью

Квантовая сеть может быть создана в условиях окружающей среды, если этот второй фотон сможет пройти по оптическому волокну с малыми потерями и взаимодействовать с идентично подготовленным передающим фотоном из второго сетевого узла посредством так называемого измерения состояния Белла. Это выполнит «обмен запутанностью» между удаленными сверхпроводящими кубитами.

Запутанные пары фотонов генерируются процессом, называемым спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты, при котором один фотон разделяется на два. Однако ранее никому не удавалось сгенерировать запутанную пару фотонов, энергия которых различалась более чем в 10,000 1550 раз. Эта разница охватывает фотон с длиной волны оптических телекоммуникаций около 3 нм; и другой на длине волны микроволн около XNUMX см.

Группа Финка накачала оптический резонатор на ниобате лития, который был частью микроволнового резонатора, с помощью мощного лазера на телекоммуникационных длинах волн. Подавляющее большинство лазерного излучения просто возвращалось из резонатора без изменений и отфильтровывалось. Однако примерно один фотон в импульсе разделяется на два запутанных фотона — один микроволновый, а другой с длиной волны чуть большей, чем фотоны накачки.

Запутанный источник света полностью на кристалле

«Мы проверили эту запутанность, измерив ковариации двух флуктуаций электромагнитного поля. Мы обнаружили микроволново-оптические корреляции, которые сильнее классически разрешенных, что означает, что два поля находятся в запутанном состоянии». говорит Лю Цю, постдокторский исследователь и соавтор статьи, описывающей работу. Теперь исследователи надеются распространить эту запутанность на кубиты и волокна при комнатной температуре, внедрить квантовую телепортацию и запутать кубиты в отдельных холодильниках для растворения.

Александр Блейс Университета Шербрука в Канаде сотрудничала с Уолраффом. природа бумаги, и он впечатлен работой Финка и его коллеги: «Обычно оптика и микроволны не взаимодействуют друг с другом. Оптика действительно обладает высокой энергией и имеет тенденцию разрушать свойства квантовой когерентности ваших микроволновых цепей. Теперь [у исследователей] есть стоячие фотоны: если я хочу передать эту информацию в другой холодильник, мне нужно передать эту информацию в летящий фотон в оптическом волокне, и там будут потери. И этот фотон затем должен пройти по этому волокну, войти во второй холодильник и совершить какое-то волшебство… Мы не должны думать, что сейчас все становится легко — это только начало, но это не умаляет качества эксперимента. ”

Исследование описано в Наука.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/microwave-photons-are-entangled-with-optical-photons/