Intrasslade joner sätter långdistansrekord – Physics World

Att använda ljus och optiska fibrer för att skicka information från punkt A till B är idag en standardpraxis, men tänk om vi kunde hoppa över "sändnings- och bärstegen" helt och hållet och helt enkelt läsa information omedelbart? Tack vare kvantförveckling är denna idé inte längre ett fiktionsverk, utan ett föremål för pågående forskning. Genom att trassla in två kvantpartiklar som joner kan forskare försätta dem i ett skört gemensamt tillstånd där mätning av en partikel ger information om den andra på ett sätt som skulle vara omöjligt klassiskt.

Forskare från universitetet i Innsbruck, Österrike, har nu utfört denna knepiga intrasslingsprocess på två kalciumjoner fångade i optiska håligheter 230 m från varandra – motsvarande cirka två fotbollsplaner – och anslutna via en 520 m lång optisk fiber. Denna separation är ett rekord för fångade joner och sätter en milstolpe i kvantkommunikation och beräkningssystem baserade på dessa kvantpartiklar.

Mot ett kvantnätverk

Kvantnätverk är ryggraden i kvantkommunikationssystem. Bland deras attraktioner är att de kunde länka världen med oöverträffad datorkraft och säkerhet samtidigt som de förbättrar precisionsavkänning och tidsmätning för applikationer som sträcker sig från metrologi till navigering. Sådana kvantnätverk skulle bestå av kvantdatorer – noderna – kopplade genom utbyte av fotoner. Detta utbyte kan göras i fritt utrymme, på samma sätt som hur ljus färdas genom rymden från solen till våra ögon. Alternativt kan fotonerna skickas genom optiska fibrer liknande de som används för att överföra data för Internet, TV och telefontjänster.

Kvantdatorer baserade på fångade joner erbjuder en lovande plattform för kvantnätverk och kvantkommunikation av två skäl. En är att deras kvanttillstånd är relativt lätta att kontrollera. Den andra är att dessa tillstånd är robusta mot externa störningar som kan störa informationen mellan och vid noderna.

Instängda kalciumjoner

I det senaste arbetet har forskarlag under ledning av Tracy Northup och Ben Lanyon i Innsbruck fångade kalciumjoner i Paul-fällor – en elektrisk fältkonfiguration som producerar en kraft på jonen som begränsar den i mitten av fällan. Kalciumjoner är tilltalande eftersom de har en enkel elektronisk struktur och är robusta mot buller. "De är kompatibla med teknik som behövs för kvantnätverk; och de är också lätta att fånga och kyla, därför lämpade för skalbara kvantnätverk”, förklarar Maria Galli, en doktorand vid Innsbruck som var involverad i arbetet, som beskrivs i Fysiska granskningsbrev.

Forskarna började med att placera en enda fångade jon inuti var och en av två separata optiska kaviteter. Dessa hålrum är utrymmen mellan par av speglar som tillåter exakt kontroll och inställning av frekvensen av ljus som studsar mellan dem (se bilden ovan). Denna snäva kontroll är avgörande för att länka eller trassla in informationen från jonen till fotonen.

Efter att ha intrasslat jon-fotonsystemet vid var och en av de två kaviteterna – nätverkets noder – utförde forskarna en mätning för att karakterisera det intrasslade systemet. Medan mätningen förstör intrasslingen, var forskarna tvungna att upprepa denna process flera gånger för att optimera detta steg. Fotonerna, var och en intrasslad med en av kalciumjonerna, överförs sedan genom den optiska fibern som förbinder de två noderna, som finns i separata byggnader.

Utbyte av information

Medan forskarna kunde ha överfört fotonerna i fritt utrymme, skulle det ha riskerat att störa jon-foton intrassling på grund av flera bruskällor. Optiska fibrer, däremot, har låga förluster, och de skyddar också fotonerna och bevarar deras polarisering, vilket tillåter längre separation mellan noderna. De är dock inte idealiska. "Vi observerade vissa drifter i polariseringen. Av denna anledning skulle vi var 20:e minut karakterisera fiberns polarisationsrotation och korrigera för den." säger Galli.

De två fotonerna utbyter information om sina respektive jon-fotonsystem genom en process som kallas för en foton Bell-state-mätning (PBSM). I denna tillståndsselektiva detektionsteknik överlappas fotonernas vågfunktioner, vilket skapar ett interferensmönster som kan mätas med fyra fotodetektorer.

Genom att läsa de uppmätta signalerna på fotodetektorerna kan forskarna se om informationen som bärs av fotonerna – deras polarisationstillstånd – är identisk eller inte. Matchande par av utfall (antingen horisontella eller vertikala polarisationstillstånd) förebådar följaktligen genereringen av intrassling mellan de avlägsna jonerna.

Avvägningar för framgångsrik förveckling

Forskarna var tvungna att balansera flera faktorer för att generera intrassling mellan jonerna. Det ena är tidsfönstret där de gör den slutliga gemensamma mätningen av fotonerna. Ju längre detta tidsfönster är, desto större chans har forskarna att upptäcka fotoner – men avvägningen är att jonerna är mindre intrasslade. Detta beror på att de syftar till att fånga fotoner som anländer samtidigt, och att tillåta ett längre tidsfönster kan leda till att de upptäcker fotoner som faktiskt anlände vid olika tidpunkter.

Tre-nods kvantnätverk gör sin debut

Forskarna behövde därför noggrant kontrollera hur mycket intrassling de lyckades uppnå under ett givet tidsfönster. Under ett tidsfönster på 1 mikrosekund upprepade de experimentet mer än 13 miljoner gånger, vilket producerade 555 detektionshändelser. De mätte sedan tillståndet för jonerna vid varje nod oberoende för att kontrollera korrelationen, som var 88%. "Vårt sista mätsteg är i själva verket att mäta tillståndet för båda jonerna för att verifiera att den förväntade tillståndskorrelationen finns där," säger Galli. "Detta bekräftar att vi har lyckats skapa intrassling mellan de två jonerna."

Från en sprint till ett maraton

Två fotbollsplaner kan tyckas vara en lång sträcka för att skapa ett osäkert kvantintrasslat tillstånd, men Innsbruck-laget har större planer. Genom att göra förändringar som att öka våglängden på fotoner som används för att överföra information mellan jonerna hoppas forskarna kunna tillryggalägga ett mycket större avstånd på 50 km – längre än ett maratonlopp.

Medan andra forskargrupper tidigare har visat intrassling över ännu längre avstånd med hjälp av neutrala atomer, har jonbaserade plattformar vissa fördelar. Galli noterar att troheten hos kvantportar utförda med fångade joner är bättre än de för kvantportar utförda på atomer, främst för att interaktioner mellan joner är starkare och mer stabila än interaktioner mellan atomer och jonernas koherenstid är mycket längre.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/