Запутанные ионы установили рекорд дальнего расстояния

Использование света и оптических волокон для отправки информации из точки А в точку Б сегодня является стандартной практикой, но что, если бы мы могли полностью пропустить этапы «отправки и переноса» и просто мгновенно считывать информацию? Благодаря квантовой запутанности эта идея больше не выдумка, а предмет постоянных исследований. Запутав две квантовые частицы, такие как ионы, ученые могут привести их в хрупкое совместное состояние, когда измерение одной частицы дает информацию о другой таким образом, который был бы невозможен в классическом понимании.

Исследователи из Университета Инсбрука, Австрия, выполнили этот сложный процесс запутывания двух ионов кальция, захваченных оптическими полостями на расстоянии 230 м друг от друга, что эквивалентно примерно двум футбольным полям, и соединенных оптическим волокном длиной 520 м. Это разделение является рекордом для захваченных ионов и устанавливает веху в квантовых коммуникационных и вычислительных системах, основанных на этих квантовых частицах.

К квантовой сети

Квантовые сети являются основой систем квантовой связи. Одной из их привлекательных черт является то, что они могут связать мир с беспрецедентной вычислительной мощностью и безопасностью, одновременно повышая точность измерения и измерения времени для различных приложений, от метрологии до навигации. Такие квантовые сети будут состоять из квантовых компьютеров — узлов, связанных посредством обмена фотонами. Этот обмен может происходить в свободном пространстве, подобно тому, как свет проходит через пространство от Солнца к нашим глазам. В качестве альтернативы фотоны можно отправлять по оптическим волокнам, подобным тем, которые используются для передачи данных для Интернета, телевидения и телефонных услуг.

Квантовые компьютеры на основе захваченных ионов предлагают многообещающую платформу для квантовых сетей и квантовой связи по двум причинам. Во-первых, их квантовые состояния относительно легко контролировать. Во-вторых, эти состояния устойчивы к внешним возмущениям, которые могут нарушить передачу информации между узлами и на них.

Захваченные ионы кальция

В последней работе исследовательские группы под руководством Трейси Нортап и Бен Ланион в Инсбруке ионы кальция были захвачены в ловушки Пауля - конфигурация электрического поля, которая воздействует на ион силой, удерживая его в центре ловушки. Ионы кальция привлекательны, потому что они имеют простую электронную структуру и устойчивы к шуму. «Они совместимы с технологиями, необходимыми для квантовых сетей; и они также легко улавливаются и охлаждаются, поэтому подходят для масштабируемых квантовых сетей», — объясняет Мария Галли, аспирант в Инсбруке, участвовавший в работе, описанной в Physical Review Letters,.

Исследователи начали с помещения одного захваченного иона в каждую из двух отдельных оптических полостей. Эти полости представляют собой промежутки между парами зеркал, которые позволяют точно контролировать и настраивать частоту света, отражающегося между ними (см. изображение выше). Этот жесткий контроль имеет решающее значение для связывания или запутывания информации иона с информацией фотона.

После запутывания ионно-фотонной системы в каждой из двух полостей — узлов сети — исследователи провели измерение, чтобы охарактеризовать запутанную систему. Хотя измерение разрушает запутанность, исследователям пришлось повторить этот процесс несколько раз, чтобы оптимизировать этот шаг. Фотоны, каждый из которых запутан с одним из ионов кальция, затем передаются по оптическому волокну, соединяющему два узла, расположенных в разных зданиях.

Обмен информацией

Хотя исследователи могли перенести фотоны в свободное пространство, это могло привести к нарушению ионно-фотонной запутанности из-за нескольких источников шума. Оптические волокна, напротив, имеют низкие потери, а также экранируют фотоны и сохраняют их поляризацию, обеспечивая более длительное расстояние между узлами. Однако они не идеальны. «Мы наблюдали некоторые дрейфы поляризации. По этой причине каждые 20 минут мы определяли поляризацию волокна и корректировали ее». говорит Галли.

Два фотона обмениваются информацией о своих соответствующих ионно-фотонных системах посредством процесса, известного как фотонное измерение состояния Белла (PBSM). В этом методе селективного обнаружения волновые функции фотонов перекрываются, создавая интерференционную картину, которую можно измерить с помощью четырех фотодетекторов.

Считывая измеренные сигналы на фотодетекторах, исследователи могут сказать, идентична ли информация, которую несут фотоны — их состояние поляризации, или нет. Совпадение пар результатов (состояний горизонтальной или вертикальной поляризации) означает возникновение запутанности между удаленными ионами.

Компромиссы для успешного запутывания

Исследователям пришлось сбалансировать несколько факторов, чтобы создать запутанность между ионами. Одним из них является временное окно, в котором они проводят окончательные совместные измерения фотонов. Чем длиннее это временное окно, тем больше у исследователей шансов обнаружить фотоны, но компромисс заключается в том, что ионы менее запутаны. Это связано с тем, что они стремятся улавливать фотоны, которые прибывают в одно и то же время, а предоставление более длительного временного окна может привести к тому, что они будут обнаруживать фотоны, которые на самом деле прибывают в разное время.

Дебют трехузловой квантовой сети

Поэтому исследователям нужно было тщательно проверить, какой степени запутанности им удалось достичь за заданный промежуток времени. За временное окно в 1 микросекунду они повторили эксперимент более 13 миллионов раз, получив 555 событий обнаружения. Затем они независимо измерили состояние ионов в каждом узле, чтобы проверить корреляцию, которая составила 88%. «Наш последний шаг измерения — фактически измерить состояние обоих ионов, чтобы убедиться, что существует ожидаемая корреляция состояний», — говорит Галли. «Это подтверждает, что нам удалось создать запутанность между двумя ионами».

От спринта к марафону

Два футбольных поля могут показаться большим расстоянием, на котором можно создать опасное квантово-запутанное состояние, но у команды из Инсбрука большие планы. Внося такие изменения, как увеличение длины волны фотонов, используемых для передачи информации между ионами, исследователи надеются преодолеть гораздо большее расстояние в 50 км — больше, чем марафон.

В то время как другие исследовательские группы ранее демонстрировали запутывание на еще больших расстояниях с использованием нейтральных атомов, платформы на основе ионов имеют определенные преимущества. Галли отмечает, что точность квантовых вентилей, выполняемых с захваченными ионами, лучше, чем точность квантовых вентилей, выполняемых с атомами, главным образом потому, что взаимодействия между ионами сильнее и стабильнее, чем взаимодействия между атомами, а время когерентности ионов намного больше.

• 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/entangled-ions-set-long-distance-record/