Zapleteni ioni postavljajo rekord na dolge razdalje – Physics World

Uporaba svetlobe in optičnih vlaken za pošiljanje informacij od točke A do B je danes standardna praksa, a kaj, če bi lahko v celoti preskočili korake »pošiljanja in prenosa« in preprosto prebrali informacije v trenutku? Zahvaljujoč kvantni prepletenosti ta ideja ni več fikcija, ampak predmet nenehnih raziskav. Z zapletom dveh kvantnih delcev, kot sta iona, ju lahko znanstveniki spravijo v krhko skupno stanje, kjer merjenje enega delca daje informacije o drugem na načine, ki bi bili klasični nemogoči.

Raziskovalci z Univerze v Innsbrucku v Avstriji so zdaj izvedli ta zapleten postopek prepletanja na dveh kalcijevih ionih, ujetih v optičnih votlinah, ki sta 230 m narazen – kar ustreza približno dvema nogometnima igriščema – in povezana prek 520 m dolgega optičnega vlakna. Ta ločitev je rekordna za ujete ione in postavlja mejnik v kvantnih komunikacijskih in računalniških sistemih, ki temeljijo na teh kvantnih delcih.

K kvantnemu omrežju

Kvantna omrežja so hrbtenica kvantnih komunikacijskih sistemov. Med njihovimi zanimivostmi je, da lahko povežejo svet z računalniško močjo in varnostjo brez primere, hkrati pa izboljšajo natančno zaznavanje in merjenje časa za aplikacije, ki segajo od meroslovja do navigacije. Takšna kvantna omrežja bi bila sestavljena iz kvantnih računalnikov – vozlišč – povezanih z izmenjavo fotonov. Ta izmenjava se lahko izvede v prostem prostoru, podobno kot potuje svetloba skozi vesolje od Sonca do naših oči. Druga možnost je, da se fotoni pošljejo prek optičnih vlaken, podobnih tistim, ki se uporabljajo za prenos podatkov za internet, televizijo in telefonske storitve.

Kvantni računalniki, ki temeljijo na ujetih ionih, ponujajo obetavno platformo za kvantna omrežja in kvantno komunikacijo iz dveh razlogov. Eno je, da je njihova kvantna stanja relativno enostavno nadzorovati. Drugi je, da so ta stanja odporna proti zunanjim motnjam, ki lahko motijo ​​​​informacije, ki se prenašajo med vozlišči in na njih.

Ujeti kalcijevi ioni

V zadnjem delu so raziskovalne skupine pod vodstvom Tracy Northup in Ben Lanyon v Innsbrucku ujeti kalcijevi ioni v Paulove pasti – konfiguracija električnega polja, ki povzroči silo na ion in ga zadrži v središču pasti. Kalcijevi ioni so privlačni, ker imajo preprosto elektronsko strukturo in so robustni proti hrupu. »Združljive so s tehnologijo, potrebno za kvantna omrežja; prav tako jih je enostavno ujeti in ohladiti, zato so primerni za razširljiva kvantna omrežja,« pojasnjuje Marija Gali, doktorski študent v Innsbrucku, ki je sodeloval pri delu, ki je opisano v Pisni pregledi fizike.

Raziskovalci so začeli z namestitvijo enega ujetega iona v vsako od dveh ločenih optičnih votlin. Te votline so prostori med pari ogledal, ki omogočajo natančen nadzor in nastavitev frekvence svetlobe, ki se odbija med njimi (glej sliko zgoraj). Ta strog nadzor je ključnega pomena za povezovanje ali zapletanje informacij o ionih s podatki o fotonu.

Po zapletanju ionsko-fotonskega sistema v vsaki od dveh votlin – vozliščih mreže – so raziskovalci izvedli meritev za karakterizacijo zapletenega sistema. Medtem ko meritev uniči prepletenost, so morali raziskovalci ta postopek ponoviti večkrat, da so optimizirali ta korak. Fotoni, vsak zapleten z enim od kalcijevih ionov, se nato prenašajo skozi optično vlakno, ki povezuje dve vozlišči, ki se nahajata v ločenih zgradbah.

Izmenjava informacij

Medtem ko bi raziskovalci lahko prenesli fotone v prosti prostor, bi s tem tvegali motnje prepletanja ionov in fotonov zaradi več virov hrupa. Nasprotno pa imajo optična vlakna nizke izgube, prav tako ščitijo fotone in ohranjajo njihovo polarizacijo, kar omogoča daljšo ločitev med vozlišči. Vendar pa niso idealni. »Res smo opazili nekaj premikov v polarizaciji. Iz tega razloga bi vsakih 20 minut označili polarizacijsko rotacijo vlakna in jo popravili. pravi Galli.

Fotona izmenjujeta informacije svojih ustreznih ionsko-fotonskih sistemov s postopkom, znanim kot merjenje stanja fotona (PBSM). Pri tej tehniki selektivnega zaznavanja stanja se valovne funkcije fotonov prekrivajo, kar ustvarja interferenčni vzorec, ki ga je mogoče izmeriti s štirimi fotodetektorji.

Z branjem izmerjenih signalov na fotodetektorjih lahko raziskovalci ugotovijo, ali so informacije, ki jih prenašajo fotoni – njihovo polarizacijsko stanje – enake ali ne. Ujemajoči se pari izidov (vodoravna ali navpična polarizacijska stanja) posledično naznanjajo nastanek prepletenosti med oddaljenimi ioni.

Kompromisi za uspešno zapletanje

Raziskovalci so morali uravnotežiti več dejavnikov, da bi ustvarili zaplet med ioni. Eno je časovno okno, v katerem opravijo končno skupno meritev fotonov. Daljše kot je to časovno okno, več možnosti imajo raziskovalci za odkrivanje fotonov – vendar je kompromis v tem, da so ioni manj zapleteni. To je zato, ker želijo ujeti fotone, ki prispejo ob istem času, in omogočanje daljšega časovnega okna bi jih lahko vodilo do odkrivanja fotonov, ki so dejansko prispeli ob različnih urah.

Predstavlja kvantno omrežje s tremi vozlišči

Raziskovalci so zato morali natančno preveriti, koliko zapletenosti jim je uspelo doseči za dano časovno okno. V časovnem oknu 1 mikrosekunde so poskus ponovili več kot 13-milijonkrat in ustvarili 555 zaznavnih dogodkov. Nato so neodvisno izmerili stanje ionov na vsakem vozlišču, da bi preverili korelacijo, ki je bila 88-odstotna. "Naš zadnji merilni korak je dejansko merjenje stanja obeh ionov, da preverimo, ali obstaja pričakovana korelacija stanja," pravi Galli. "To potrjuje, da nam je uspelo ustvariti prepletanje med obema ionoma."

Od sprinta do maratona

Dve nogometni igrišči se morda zdita velika razdalja, na kateri je mogoče ustvariti negotovo kvantno zapleteno stanje, toda ekipa iz Innsbrucka ima večje načrte. S spremembami, kot je povečanje valovne dolžine fotonov, ki se uporabljajo za prenos informacij med ioni, raziskovalci upajo, da bodo premagali veliko večjo razdaljo 50 km – dlje kot maraton.

Medtem ko so druge raziskovalne skupine predhodno dokazale zapletanje na še daljše razdalje z uporabo nevtralnih atomov, imajo platforme na osnovi ionov določene prednosti. Galli ugotavlja, da so zvestobe kvantnih vrat, izvedenih z ujetimi ioni, boljše od tistih pri kvantnih vratih, izvedenih na atomih, predvsem zato, ker so interakcije med ioni močnejše in stabilnejše od interakcij med atomi in koherentni čas ionov je veliko daljši.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/