อะตอมของธาตุหายากสามารถสร้างตัวทวนควอนตัมที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม - โลกฟิสิกส์

อะตอมของธาตุหายากสามารถสร้างตัวทวนควอนตัมที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 13 กันยายน 2023 3:24 น.

รูปภาพของอุปกรณ์เออร์เบียม ซึ่งเป็นชิปสีเทาที่มีตารางเป็นรูและช่องคล้ายริบบิ้นสองช่อง
รองรับระบบโทรคมนาคม: รูปภาพของอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง (ขอบคุณภาพ: ลูคัสซ์ ดูซานอฟสกี้)

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันในสหรัฐอเมริกาได้ก้าวสำคัญสู่การสร้างเครือข่ายควอนตัมที่ปรับขนาดได้ เนื่องจากมีธาตุหายาก: เออร์เบียม เออร์เบียมสามารถเปล่งและดูดซับโฟตอนได้ดีในช่วงความยาวคลื่นที่ใช้ในอุตสาหกรรมโทรคมนาคม ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบเนื่องจากโฟตอนเหล่านี้สามารถเดินทางในระยะทางไกลโดยมีการลดทอนเพียงเล็กน้อยในเส้นใยนำแสงมาตรฐาน การควบคุมจุดแข็งนี้ในขอบเขตควอนตัมถือเป็นความท้าทาย แต่ทีมงานพรินซ์ตันพยายามเกลี้ยกล่อมอุปกรณ์ที่ใช้เออร์เบียมให้ปล่อยโฟตอนที่เหมือนกัน ซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับตัวทำซ้ำควอนตัมในการแบ่งปันข้อมูลควอนตัมในระยะทางอันกว้างใหญ่

“เส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียมถูกใช้เป็นตัวทำซ้ำแบบคลาสสิกเพื่อสร้างเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบคลาสสิกสำหรับการเชื่อมต่อการสื่อสารด้วยแสงทุกประเภท เช่น สายเคเบิลใต้ทะเลระยะไกล” กล่าว Jeff Thompsonศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่ Princeton และผู้ตรวจสอบหลักเกี่ยวกับงานนี้ “สำหรับฉัน มันเป็นเรื่องปกติมากที่จะพยายามสร้างเวอร์ชันควอนตัมขึ้นมา”

มีประโยชน์ แต่ยุ่งยากในการทำงานด้วย

โฟตอนอาจเป็นตัวพาข้อมูลตามธรรมชาติ แต่พวกมันเกาะติดได้ยากและไม่ค่อยมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน ซึ่งหมายความว่าหากโฟตอนสูญหายหรือข้อมูลที่เข้ารหัสในโฟตอนเสื่อมลง โฟตอนตัวอื่นก็ไม่สามารถช่วยเหลือได้ ข้อมูลควอนตัมจะต้องถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำบางประเภทแทน ซึ่งในกรณีนี้คืออะตอม "ตัวทำซ้ำควอนตัมเป็นเพียงวิธีการทำแผนที่ข้อมูลควอนตัมไปมาระหว่างแสงและอะตอม" อธิบาย เอลิซาเบธ โกลด์ชมิดท์ศาสตราจารย์ด้านทัศนศาสตร์ควอนตัมจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์-เออร์บานา แชมเปญ ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้

ในเครือข่ายควอนตัมที่ใช้รีพีทเตอร์ แนวคิดก็คือการสร้างการพัวพันระหว่างจุดที่ห่างไกลสองจุดโดยการแบ่งระยะทางนั้นออกเป็นชิ้นๆ วิธีการทำงานคือควอนตัมรีพีตเตอร์ที่ปลายด้านหนึ่งของช่องสัญญาณระยะไกลจะปล่อยโฟตอนออกมา และในกระบวนการนี้จะเข้าไปพัวพันกับโฟตอน รีพีตเตอร์อีกตัวที่อยู่ไม่ไกลจากช่องสัญญาณจะปล่อยโฟตอนไปในทิศทางของตัวแรกด้วย เมื่อโฟตอนทั้งสองมาบรรจบกัน พวกมันจะถูกวัดในลักษณะที่พันกัน ตราบใดที่โฟตอนยังคงพันกันอยู่กับตัวปล่อยของมัน ตัวปล่อยก็จะพันกันเช่นกัน เมื่อดำเนินกระบวนการนี้ต่อไปในสายโซ่ ในที่สุดตัวปล่อยสองตัวที่ปลายด้านตรงข้ามของช่องก็จะพันกัน จากนั้นสามารถใช้เป็นคีย์ที่ใช้ร่วมกันในรูปแบบการกระจายคีย์ควอนตัม หรือสามารถแบ่งปันข้อมูลควอนตัมเล็กน้อยผ่านโปรโตคอลการเคลื่อนย้ายควอนตัม

พูดตามฉัน

เทคโนโลยีเครื่องทวนควอนตัมอื่นๆ ได้รับการพัฒนาโดยใช้อะตอมหรือข้อบกพร่องต่างๆ ในเพชร อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไประบบเหล่านี้จะปล่อยโฟตอนออกมาที่ความถี่ที่แทบจะมองเห็นได้ ซึ่งจะลดทอนลงอย่างรวดเร็วในใยแก้วนำแสง เพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม จำเป็นต้องมีการแปลงความถี่ซึ่งซับซ้อนและอาจมีราคาแพง รีพีตเตอร์ที่ปล่อยแสงสีที่ต้องการโดยอัตโนมัติจะทำให้กระบวนการง่ายขึ้นอย่างมาก

หากต้องการให้อะตอมของเออร์เบียมทำหน้าที่เป็นตัวทวนควอนตัม สิ่งสำคัญสองประการจำเป็นต้องดำเนินไปอย่างถูกต้อง ขั้นแรก อะตอมจะต้องปล่อยโฟตอนออกมาเร็วพอที่จะทำให้โครงร่างนี้ใช้งานได้จริง ประการที่สอง โฟตอนที่ปล่อยออกมาจะต้องรักษาคุณสมบัติควอนตัมของมันไว้และพันกันอยู่กับอะตอมที่ปล่อยออกมาแม้ว่าจะมีการหยุดชะงัก ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าการเชื่อมโยงกัน

น่าเสียดายที่อะตอมของเออร์เบียมในธรรมชาติปล่อยโฟตอนของคลื่นความถี่โทรคมนาคมออกมาน้อยมาก เพื่อเพิ่มอัตราการปล่อยเออร์เบียมให้ได้สีที่ต้องการ ทีมงานได้วางอะตอมไว้ในคริสตัล ซึ่งอยู่ห่างจากพื้นผิวเพียงนาโนเมตร บนคริสตัลนี้ พวกเขาวางช่องซึ่งเป็นอุปกรณ์นาโนโฟโตนิกซิลิคอนที่ออกแบบมาเพื่อดักแสงที่การปล่อยเออร์เบียมความยาวคลื่นที่แม่นยำ เมื่ออะตอมของเออร์เบียมเข้าสู่โพรงนี้ นักวิจัยของพรินซ์ตันได้ชักชวนให้มันปล่อยโฟตอนโทรคมนาคมบ่อยกว่าปกติเกือบ 1000 เท่า

เลือกอย่างชาญฉลาด

เพื่อรักษาการเชื่อมโยงกันของควอนตัมของโฟตอนให้นานพอที่จะส่งสัญญาณพัวพัน Thompson และเพื่อนร่วมงานต้องเลือกวัสดุคริสตัลอย่างระมัดระวัง จากความเป็นไปได้เบื้องต้นหลายพันครั้ง พวกเขาทดลองประมาณ 20 ครั้งในห้องแล็บ ก่อนที่จะตัดสินใจใช้แคลเซียม tungstate ซึ่งทำให้โฟตอนที่ปล่อยออกมามีการเชื่อมโยงกันสูงเพียงพอสำหรับพวกเขาที่จะมีส่วนร่วมในการรบกวนควอนตัมซึ่งกันและกัน การรบกวนควอนตัมนี้จำเป็นสำหรับขั้นตอนการวัดโฟตอนที่พันกันในสถาปัตยกรรมตัวทำซ้ำควอนตัม

ขั้นตอนต่อไปที่นักวิจัยของพรินซ์ตันกล่าวว่าอยู่ใกล้แค่เอื้อม คือการแสดงให้เห็นถึงความยุ่งเหยิงระหว่างโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของเออร์เบียมต่างๆ หลังจากนั้น มันเป็นเรื่องของการเชื่อมต่อแบบเดซี่เชนรีพีตเตอร์เข้าด้วยกันเพื่อสร้างช่องทางการสื่อสารควอนตัม นักวิจัยเชื่อว่าเทคโนโลยีนี้ควรจะปรับขนาดได้ง่ายเนื่องจากใช้ประโยชน์จากอุตสาหกรรมโฟโตนิกส์ซิลิคอนที่เป็นผู้ใหญ่ “ผมคิดว่านี่เป็นสิ่งที่แปลกใหม่และสำคัญมาก” โกลด์ชมิดต์กล่าว “อะตอมของธาตุหายากสามารถรักษาความเชื่อมโยงที่ยอดเยี่ยมมากที่คุณได้รับกับอะตอมหรือไอออนในสุญญากาศ ขณะเดียวกันก็มีความสามารถทางวิศวกรรมสูงและเข้ากันได้กับการรวมอุปกรณ์ ดังที่แสดงไว้อย่างชัดเจนในงานนี้”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์