Dolaşmış iyonlar uzun mesafe rekoru kırdı - Fizik Dünyası

A noktasından B noktasına bilgi göndermek için ışık ve optik fiber kullanmak günümüzde standart bir uygulamadır, peki ya "gönderme ve taşıma" adımlarını tamamen atlayıp bilgiyi anında okuyabilsek? Kuantum dolanıklık sayesinde bu fikir artık bir kurgu eseri değil, devam eden bir araştırma konusu. İyonlar gibi iki kuantum parçacığını dolaştırarak, bilim insanları onları, bir parçacığın ölçülmesinin diğeri hakkında klasik olarak imkansız olacak şekilde bilgi verdiği kırılgan bir eklem durumuna getirebilirler.

Avusturya'daki Innsbruck Üniversitesi'nden araştırmacılar, bu zorlu dolaştırma işlemini, aralarında 230 m mesafe bulunan (yaklaşık iki futbol sahasına eşdeğer) optik boşluklarda sıkışıp kalan ve 520 m uzunluğunda bir optik fiber aracılığıyla birbirine bağlanan iki kalsiyum iyonu üzerinde gerçekleştirdi. Bu ayrılma, hapsolmuş iyonlar için bir rekordur ve bu kuantum parçacıklarına dayanan kuantum iletişim ve hesaplama sistemlerinde bir kilometre taşı oluşturur.

Kuantum ağına doğru

Kuantum ağları kuantum iletişim sistemlerinin omurgasını oluşturur. İlgi çekici yönleri arasında, metrolojiden navigasyona kadar çeşitli uygulamalar için hassas algılamayı ve zaman ölçümünü geliştirirken dünyayı benzeri görülmemiş bilgi işlem gücü ve güvenliğiyle bağlayabilmeleri yer alıyor. Bu tür kuantum ağları, foton alışverişi yoluyla birbirine bağlanan kuantum bilgisayarlardan (düğümlerden) oluşacaktır. Bu değişim, ışığın Güneş'ten gözlerimize kadar uzayda seyahat etmesine benzer şekilde, boş uzayda yapılabilir. Alternatif olarak fotonlar, internet, televizyon ve telefon hizmetleri için veri iletiminde kullanılanlara benzer optik fiberler aracılığıyla gönderilebilir.

Tuzaklanmış iyonlara dayanan kuantum bilgisayarlar, iki nedenden dolayı kuantum ağları ve kuantum iletişimi için umut verici bir platform sunuyor. Birincisi, kuantum durumlarının kontrol edilmesinin nispeten kolay olmasıdır. Diğeri ise bu durumların, düğümler arasında ve düğümlerde taşınan bilgiyi bozabilecek dış etkenlere karşı dayanıklı olmasıdır.

Sıkışmış kalsiyum iyonları

Son çalışmada, liderliğindeki araştırma ekipleri Tracy Northup ve Ben Lanyon Innsbruck'ta kalsiyum iyonları Paul tuzaklarında hapsedildi; iyon üzerinde bir kuvvet üreten ve onu tuzağın merkezinde hapseden bir elektrik alanı konfigürasyonu. Kalsiyum iyonları basit bir elektronik yapıya sahip olmaları ve gürültüye karşı dayanıklı olmaları nedeniyle ilgi çekicidir. “Kuantum ağları için gereken teknolojiyle uyumlular; Ayrıca kolayca yakalanıp soğutulabiliyorlar, bu nedenle ölçeklenebilir kuantum ağları için uygunlar" diye açıklıyor Maria GalliInnsbruck'ta bir doktora öğrencisi olan ve aşağıda açıklanan çalışmaya dahil olan Physical Review Letters.

Araştırmacılar iki ayrı optik boşluğun her birine tek bir tuzaklanmış iyon yerleştirerek işe başladılar. Bu boşluklar, ayna çiftleri arasındaki boşluklardır ve aralarından seken ışığın frekansının hassas şekilde kontrol edilmesini ve ayarlanmasını sağlar (yukarıdaki resme bakın). Bu sıkı kontrol, iyonun bilgisini fotonun bilgisine bağlamak veya dolaştırmak için çok önemlidir.

İyon-foton sistemini iki boşluğun (ağın düğümleri) her birine dolaştırdıktan sonra araştırmacılar, dolaşmış sistemi karakterize etmek için bir ölçüm gerçekleştirdiler. Ölçüm dolaşıklığı yok ederken, araştırmacılar bu adımı optimize etmek için bu işlemi birden çok kez tekrarlamak zorunda kaldı. Her biri kalsiyum iyonlarından birine dolanan fotonlar daha sonra ayrı binalarda bulunan iki düğümü birbirine bağlayan optik fiber aracılığıyla iletilir.

Bilgi alışverişinde bulunmak

Araştırmacılar fotonları boş uzaya aktarabilecek olsa da, bunu yapmak çeşitli gürültü kaynakları nedeniyle iyon-foton dolaşıklığının bozulması riskini taşıyordu. Bunun aksine optik fiberler düşük kayıplıdır ve ayrıca fotonları korur ve polarizasyonlarını koruyarak düğümler arasında daha uzun bir ayrım yapılmasına olanak tanır. Ancak ideal değiller. “Kutuplaşmada bazı sapmalar gözlemledik. Bu nedenle her 20 dakikada bir fiberin polarizasyon rotasyonunu karakterize edip düzeltiyorduk.” Galli diyor.

İki foton, ilgili iyon-foton sistemlerinin bilgilerini, foton Bell durumu ölçümü (PBSM) olarak bilinen bir işlem aracılığıyla değiştirir. Bu durum seçici tespit tekniğinde, fotonların dalga fonksiyonları üst üste bindirilerek dört fotodetektörle ölçülebilen bir girişim deseni oluşturulur.

Araştırmacılar, fotodetektörlerde ölçülen sinyalleri okuyarak, fotonların taşıdığı bilgilerin (polarizasyon durumları) aynı olup olmadığını anlayabilirler. Eşleşen sonuç çiftleri (ya yatay ya da dikey polarizasyon durumları) sonuç olarak uzak iyonlar arasında dolaşma oluşumunun habercisidir.

Başarılı dolaşma için ödünleşimler

Araştırmacıların iyonlar arasında dolaşıklık oluşturmak için çeşitli faktörleri dengelemesi gerekiyordu. Bunlardan biri, fotonların son ortak ölçümünü yaptıkları zaman penceresidir. Bu zaman aralığı ne kadar uzun olursa araştırmacıların fotonları tespit etme şansı da o kadar artar; ancak bunun karşılığında iyonların daha az dolaşık olması sağlanır. Bunun nedeni, aynı anda gelen fotonları yakalamayı hedeflemeleri ve daha uzun bir zaman aralığına izin verilmesinin, aslında farklı zamanlarda gelen fotonları tespit etmelerine yol açabilmesidir.

Üç düğümlü kuantum ağı ilk çıkışını yapıyor

Bu nedenle araştırmacıların, belirli bir zaman aralığında ne kadar dolaşıklığa ulaşmayı başardıklarını dikkatli bir şekilde kontrol etmeleri gerekiyordu. 1 mikrosaniyelik bir zaman aralığında deneyi 13 milyondan fazla tekrarladılar ve 555 tespit olayı ürettiler. Daha sonra %88 olan korelasyonu kontrol etmek için her düğümdeki iyonların durumunu bağımsız olarak ölçtüler. Galli, "Son ölçüm adımımız aslında beklenen durum korelasyonunun mevcut olduğunu doğrulamak için her iki iyonun durumunu ölçmektir" diyor. "Bu, iki iyon arasında dolaşıklık yaratmayı başardığımızı doğruluyor."

Bir sürat koşusundan maratona

İki futbol sahası, istikrarsız bir kuantum dolanıklık durumu yaratacak kadar büyük bir mesafe gibi görünebilir, ancak Innsbruck takımının daha büyük planları var. Araştırmacılar, iyonlar arasında bilgi iletmek için kullanılan fotonların dalga boyunu artırmak gibi değişiklikler yaparak, bir maratondan daha uzun olan 50 kilometrelik çok daha uzun bir mesafe kat etmeyi umuyorlar.

Diğer araştırma grupları daha önce nötr atomları kullanarak daha uzun mesafelerde dolaşıklığı göstermiş olsa da, iyon bazlı platformların bazı avantajları var. Galli, hapsedilmiş iyonlarla gerçekleştirilen kuantum kapılarının aslına uygunluğunun, atomlar üzerinde gerçekleştirilen kuantum kapılarından daha iyi olduğunu, bunun temel nedeninin iyonlar arasındaki etkileşimlerin, atomlar arasındaki etkileşimlerden daha güçlü ve daha kararlı olması ve iyonların tutarlılık süresinin çok daha uzun olması olduğunu belirtiyor.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoAiStream. Web3 Veri Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• Adryenn Ashley ile Geleceği Basmak. Buradan Erişin.
• PREIPO® ile PRE-IPO Şirketlerinde Hisse Al ve Sat. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/