ไอออนที่พันกันสร้างสถิติทางไกล – Physics World

ไอออนที่พันกันสร้างสถิติทางไกล – Physics World

ประทับเวลา: 12 พฤษภาคม 2023 8:00 น

ภาพถ่ายของกับดักไอออนและช่องแสงที่ใช้ในการทดลอง
หนึ่งในโหนด: ไอออนดักจับระหว่างกระจกทั้งสองซึ่งก่อตัวเป็นช่องแสง (เอื้อเฟื้อ: Northup lab)

การใช้แสงและใยแก้วนำแสงเพื่อส่งข้อมูลจากจุด A ถึง B เป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานในปัจจุบัน แต่จะเป็นอย่างไรหากเราสามารถข้ามขั้นตอน "การส่งและการพกพา" ทั้งหมดและอ่านข้อมูลได้ทันที ต้องขอบคุณความพัวพันของควอนตัม แนวคิดนี้ไม่ใช่นิยายอีกต่อไป แต่เป็นหัวข้อของการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ ด้วยการพันอนุภาคควอนตัม XNUMX อนุภาค เช่น ไอออน นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้พวกมันเข้าสู่สภาวะรอยต่อที่เปราะบางได้ ซึ่งการวัดอนุภาคหนึ่งจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับอีกอนุภาคในรูปแบบที่เป็นไปไม่ได้ในแบบดั้งเดิม

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอินส์บรุค ประเทศออสเตรีย ได้ทำกระบวนการพันกันที่ยุ่งยากนี้กับไอออนแคลเซียม 230 ตัวที่ติดอยู่ในช่องแสงที่ห่างกัน 520 ม. ซึ่งเทียบเท่ากับสนามฟุตบอล XNUMX สนาม และเชื่อมต่อผ่านใยแก้วนำแสงยาว XNUMX ม. การแยกส่วนนี้เป็นบันทึกของไอออนที่ติดอยู่และกำหนดหลักชัยในระบบการสื่อสารและการคำนวณควอนตัมตามอนุภาคควอนตัมเหล่านี้

สู่เครือข่ายควอนตัม

เครือข่ายควอนตัมเป็นแกนหลักของระบบการสื่อสารควอนตัม จุดเด่นประการหนึ่งคือสามารถเชื่อมโยงโลกด้วยพลังการประมวลผลและความปลอดภัยที่ไม่เคยมีมาก่อน ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงการตรวจจับที่แม่นยำและการวัดเวลาสำหรับการใช้งานตั้งแต่มาตรวิทยาไปจนถึงการนำทาง เครือข่ายควอนตัมดังกล่าวจะประกอบด้วยควอนตัมคอมพิวเตอร์ – โหนด – ที่เชื่อมต่อผ่านการแลกเปลี่ยนโฟตอน การแลกเปลี่ยนนี้สามารถทำได้ในพื้นที่ว่าง เช่นเดียวกับที่แสงเดินทางผ่านอวกาศจากดวงอาทิตย์มายังดวงตาของเรา อีกทางหนึ่ง โฟตอนสามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงคล้ายกับที่ใช้ในการส่งข้อมูลสำหรับบริการอินเทอร์เน็ต โทรทัศน์ และโทรศัพท์

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ไอออนที่ติดอยู่เป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มสำหรับเครือข่ายควอนตัมและการสื่อสารแบบควอนตัมด้วยเหตุผลสองประการ หนึ่งคือสถานะควอนตัมของพวกมันค่อนข้างควบคุมได้ง่าย อีกประการหนึ่งคือสถานะเหล่านี้แข็งแกร่งต่อการก่อกวนภายนอกที่สามารถรบกวนข้อมูลที่ขนส่งระหว่างและที่โหนด

ไอออนแคลเซียมที่ติดอยู่

ในผลงานล่าสุดทีมวิจัยนำโดย เทรซี่ นอร์ธอัพ และ เบน แลนยอน ที่อินส์บรุคดักจับแคลเซียมไอออนในกับดักพอล – โครงแบบสนามไฟฟ้าที่สร้างแรงบนไอออนและกักขังไว้ตรงกลางกับดัก แคลเซียมไอออนน่าดึงดูดเพราะมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เรียบง่ายและทนทานต่อเสียงรบกวน “พวกมันเข้ากันได้กับเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับเครือข่ายควอนตัม และยังดักจับและทำให้เย็นลงได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับเครือข่ายควอนตัมที่ปรับขนาดได้” อธิบาย มาเรีย กัลลีซึ่งเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่ Innsbruck ซึ่งมีส่วนร่วมในงานนี้ ซึ่งอธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.

นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการวางไอออนที่ถูกกักไว้ภายในช่องแสงที่แยกจากกันสองช่อง ช่องว่างเหล่านี้เป็นช่องว่างระหว่างกระจกคู่หนึ่งที่ช่วยให้ควบคุมและปรับความถี่ของแสงที่สะท้อนระหว่างกระจกได้อย่างแม่นยำ (ดูภาพด้านบน) การควบคุมที่รัดกุมนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเชื่อมโยงหรือการพันกันระหว่างข้อมูลของไอออนกับข้อมูลของโฟตอน

หลังจากเข้าไปพัวพันกับระบบไอออน-โฟตอนที่แต่ละช่องของทั้งสองโพรง – โหนดของเครือข่าย – นักวิจัยได้ทำการวัดเพื่อระบุลักษณะของระบบที่พันกัน แม้ว่าการวัดจะทำลายสิ่งกีดขวาง นักวิจัยต้องทำขั้นตอนนี้ซ้ำหลายครั้งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพขั้นตอนนี้ โฟตอนที่แต่ละอันพันกันกับหนึ่งในแคลเซียมไอออน จะถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสงที่เชื่อมต่อโหนดทั้งสอง ซึ่งตั้งอยู่ในอาคารที่แยกจากกัน

สมาชิกของทีม Innsbruck จับมือกันเป็นห่วงโซ่มนุษย์ระหว่าง Tracy Northup (ถือป้าย Universitat Innsbruck) และ Ben Lanyon (ถือป้าย IQOQI)
ความพยายามของทีม: Tracy Northup และ Ben Lanyon กับทีมที่เกี่ยวข้อง ถ่ายภาพที่วิทยาเขต Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) ในเมือง Innsbruck (เอื้อเฟื้อ: ทีมงาน Innsbruck Quantum Network)

การแลกเปลี่ยนข้อมูล

ในขณะที่นักวิจัยสามารถถ่ายโอนโฟตอนในพื้นที่ว่างได้ การทำเช่นนั้นอาจเสี่ยงต่อการรบกวนการพัวพันของไอออน-โฟตอนเนื่องจากแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนหลายแห่ง ในทางตรงกันข้าม ใยแก้วนำแสงมีการสูญเสียต่ำ และยังป้องกันโฟตอนและรักษาโพลาไรเซชัน ทำให้สามารถแยกระหว่างโหนดได้นานขึ้น อย่างไรก็ตามมันไม่เหมาะ “เราสังเกตการเคลื่อนตัวของโพลาไรเซชัน ด้วยเหตุนี้ ทุกๆ 20 นาทีเราจะระบุลักษณะการหมุนของโพลาไรซ์ของไฟเบอร์และแก้ไขให้ถูกต้อง” แกลลี่พูด

โฟตอนทั้งสองจะแลกเปลี่ยนข้อมูลของระบบไอออน-โฟตอนที่ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการวัดโฟตอน Bell-state (PBSM) ในเทคนิคการตรวจจับแบบเลือกสถานะนี้ ฟังก์ชันคลื่นของโฟตอนจะซ้อนทับกัน ทำให้เกิดรูปแบบสัญญาณรบกวนที่สามารถวัดได้ด้วยตัวตรวจจับโฟโต้สี่ตัว

การอ่านสัญญาณที่วัดได้บนตัวตรวจจับแสง นักวิจัยสามารถบอกได้ว่าข้อมูลที่โฟตอนนำพามา - สถานะโพลาไรเซชันของพวกมัน - เหมือนกันหรือไม่ การจับคู่ผลลัพธ์ที่ตรงกัน (สถานะโพลาไรซ์ในแนวนอนหรือแนวตั้ง) ส่งผลให้เกิดการพัวพันระหว่างไอออนระยะไกล

การแลกเปลี่ยนสำหรับการพัวพันที่ประสบความสำเร็จ

นักวิจัยต้องสร้างสมดุลของปัจจัยหลายอย่างเพื่อสร้างการพัวพันระหว่างไอออน หนึ่งคือหน้าต่างเวลาที่พวกเขาจะทำการวัดโฟตอนร่วมกันขั้นสุดท้าย ยิ่งช่วงเวลานี้นานเท่าไร นักวิจัยมีโอกาสมากขึ้นในการตรวจจับโฟตอน แต่ข้อเสียคือไอออนจะพันกันน้อยลง เนื่องจากมีเป้าหมายที่จะจับโฟตอนที่มาถึงในเวลาเดียวกัน และการปล่อยให้กรอบเวลานานขึ้นอาจทำให้ตรวจจับโฟตอนที่มาถึงในเวลาที่ต่างกันได้

นักวิจัยจึงจำเป็นต้องตรวจสอบอย่างรอบคอบว่าพวกเขาจัดการสิ่งกีดขวางได้มากน้อยเพียงใดในช่วงเวลาที่กำหนด ในกรอบเวลา 1 ไมโครวินาที พวกเขาทำการทดลองซ้ำมากกว่า 13 ล้านครั้ง ทำให้เกิดเหตุการณ์การตรวจจับ 555 ครั้ง จากนั้นพวกเขาวัดสถานะของไอออนในแต่ละโหนดอย่างอิสระเพื่อตรวจสอบความสัมพันธ์ ซึ่งเท่ากับ 88% Galli กล่าวว่า "ขั้นตอนการวัดขั้นสุดท้ายของเราคือการวัดสถานะของไอออนทั้งสองเพื่อตรวจสอบความสัมพันธ์ของสถานะที่คาดไว้ "นี่เป็นการยืนยันว่าเราประสบความสำเร็จในการสร้างสิ่งกีดขวางระหว่างไอออนทั้งสอง"

จากการวิ่งสู่การวิ่งมาราธอน

สนามฟุตบอลสองสนามอาจดูเหมือนระยะทางที่ไกลเกินกว่าจะสร้างสภาวะพัวพันทางควอนตัมที่ล่อแหลม แต่ทีมอินส์บรุคมีแผนการที่ใหญ่กว่า ด้วยการเปลี่ยนแปลง เช่น การเพิ่มความยาวคลื่นของโฟตอนที่ใช้ในการส่งข้อมูลระหว่างไอออน นักวิจัยหวังว่าจะครอบคลุมระยะทางที่ไกลกว่า 50 กม. ซึ่งนานกว่าการวิ่งมาราธอน

ในขณะที่กลุ่มวิจัยอื่น ๆ ได้แสดงให้เห็นถึงการพัวพันกันในระยะทางที่ไกลขึ้นโดยใช้อะตอมที่เป็นกลาง แพลตฟอร์มที่ใช้ไอออนมีข้อดีบางประการ Galli ตั้งข้อสังเกตว่าความเที่ยงตรงของประตูควอนตัมที่ทำกับไอออนที่ติดอยู่นั้นดีกว่าของประตูควอนตัมที่ทำกับอะตอม ส่วนใหญ่เป็นเพราะอันตรกิริยาระหว่างไอออนนั้นแข็งแกร่งกว่าและเสถียรกว่าอันตรกิริยาระหว่างอะตอมและเวลาเชื่อมโยงกันของไอออนจะนานกว่ามาก

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์