Atom redkih zemelj lahko naredi kvantni repetitor na telekomunikacijskih valovnih dolžinah – Physics World

Raziskovalci na univerzi Princeton v ZDA so naredili ključni korak k uresničevanju razširljivih kvantnih omrežij zahvaljujoč elementu redkih zemelj: erbiju. Erbij je dober pri oddajanju in absorpciji fotonov na valovnih dolžinah, ki se uporabljajo v telekomunikacijski industriji, kar je prednost, saj lahko ti fotoni potujejo na velike razdalje z majhnim slabljenjem v standardnih optičnih vlaknih. Izkoriščanje te moči v kvantnem kraljestvu je bil izziv, vendar je ekipa iz Princetona uspela prepričati napravo na osnovi erbija, da oddaja enake fotone – predpogoj za kvantne repetitorje za izmenjavo kvantnih informacij na velike razdalje.

"Vlakna, dopirana z erbijem, se uporabljajo kot klasični repetitorji za izdelavo klasičnih ojačevalnikov vlaken za vse vrste optičnih komunikacijskih povezav, kot so podmorski kabli na dolge razdalje," pravi Jeff Thompson, profesor elektrotehnike in računalništva na Princetonu in glavni raziskovalec dela. "Zame je bilo torej zelo naravno, da sem poskušal pripraviti kvantno različico tega."

Ugodno, a težavno za delo

Fotoni so morda naravni nosilci informacij, vendar se jih je težko oprijeti in le redko medsebojno delujejo. To pomeni, da če se foton izgubi ali se informacije, kodirane v njem, poslabšajo, drugi fotoni ne morejo priskočiti na pomoč. Namesto tega je treba kvantne informacije shraniti v neke vrste pomnilnik - v tem primeru atom. "Kvantni repetitor je v resnici samo način preslikave kvantnih informacij naprej in nazaj med svetlobo in atomi," pojasnjuje Elizabeth Goldschmidt, profesor kvantne optike na Univerzi Illinois-Urbana Champaign v ZDA, ki ni bil vključen v delo.

V kvantnih omrežjih, ki temeljijo na repetitorjih, je ideja vzpostaviti prepletenost med dvema oddaljenima točkama z razdelitvijo te razdalje na dele. To deluje tako, da kvantni repetitor na enem koncu kanala na dolge razdalje odda foton in se pri tem zaplete vanj. Drugi repetitor na kratki razdalji po kanalu prav tako oddaja foton v smeri prvega. Ko se fotona srečata, se izmerita tako, da se zapleteta. Dokler so fotoni zapleteni s svojimi emitorji, se tudi emitorji zapletejo. Z nadaljevanjem tega procesa navzdol po verigi se bosta dva oddajnika na nasprotnih koncih kanala sčasoma zapletla. Nato jih je mogoče uporabiti kot skupne ključe v kvantni distribucijski shemi ključev ali pa si lahko delijo delček kvantnih informacij prek protokola kvantne teleportacije.

Ponovi za mano

Druge tehnologije kvantnega repetitorja so bile razvite z uporabo različnih atomov ali napak v diamantu. Vendar pa ti sistemi na splošno oddajajo fotone na skoraj vidnih frekvencah, ki v optičnih vlaknih hitro oslabijo. Za optimalno delovanje potrebujejo frekvenčno pretvorbo, ki je zapletena in lahko draga. Repetitor, ki samodejno oddaja svetlobo želene barve, bi zelo poenostavil postopek.

Da bi atom erbija deloval kot takšen kvantni repetitor, morata biti dve glavni stvari pravilni. Prvič, atom mora oddajati fotone dovolj hitro, da je shema praktična. Drugič, oddani foton mora ohraniti svoje kvantne lastnosti in kljub motnjam ostati zapleten z atomom, ki ga je oddal – lastnost, znana kot koherenca.

Na žalost atomi erbija v naravi oddajajo fotone telekomunikacijskega pasu le zelo redko. Da bi povečali stopnjo emisije erbija pri želeni barvi, je ekipa atom postavila v kristal, le nanometre stran od površine. Na vrh tega kristala so postavili votlino, ki je silicijeva nanofotonska naprava, zasnovana za lovljenje svetlobe pri natančni valovni dolžini, ki jo oddaja erbij. Z atomom erbija v to votlino so ga raziskovalci s Princetona prepričali, da oddaja telekomunikacijske fotone skoraj 1000-krat pogosteje, kot bi sicer.

Izberite pametno

Da bi ohranili kvantno koherenco fotonov dovolj dolgo za prenos prepletenosti, so morali Thompson in sodelavci zelo skrbno izbrati svoj kristalni material. Od tisočih začetnih možnosti so jih v laboratoriju poskusili okoli 20, preden so se odločili za kalcijev volframat, ki je koherenco oddanih fotonov prinesel dovolj visoko, da so sodelovali pri medsebojni kvantni interferenci. Ta kvantna interferenca je potrebna za stopnjo merjenja zapletanja fotonov v arhitekturi kvantnega repetitorja.

Novi kvantni repetitorji bi lahko omogočili razširljiv kvantni internet

Naslednji korak, za katerega raziskovalci iz Princetona pravijo, da je na dosegu roke, je prikazati prepletenost med fotoni, ki jih oddajajo različni atomi erbija. Nato gre za verižno povezovanje repetitorjev, da tvorijo kvantni komunikacijski kanal. Raziskovalci verjamejo, da bi moralo biti to tehnologijo enostavno razširiti, saj izkorišča zrelo industrijo silicijeve fotonike. "Mislim, da je to zelo nova in pomembna stvar," pravi Goldschmidt. "Atomi redkih zemelj lahko obdržijo veliko odlične koherence, ki jo dobite z atomi ali ioni v vakuumu, hkrati pa so zelo inženirski in združljivi z integracijo naprav, kot je tako jasno prikazano v tem delu."

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/rare-earth-atom-makes-a-quantum-repeater-at-telecom-wavelengths/