Заплутані іони встановили рекорд дистанції – Physics World

Використання світла та оптичних волокон для надсилання інформації з пункту А в пункт Б сьогодні є стандартною практикою, але що, якби ми могли повністю пропустити кроки «надсилання та перенесення» і просто миттєво зчитувати інформацію? Завдяки квантовій заплутаності ця ідея більше не є вигадкою, а є предметом постійних досліджень. Сплутавши дві квантові частинки, такі як іони, вчені можуть перевести їх у крихкий спільний стан, де вимірювання однієї частинки дає інформацію про іншу так, як це було б неможливо за класичних умов.

Дослідники з Університету Інсбрука, Австрія, зараз виконали цей складний процес заплутування на двох іонах кальцію, захоплених в оптичних порожнинах на відстані 230 м одна від одної (що еквівалентно приблизно двом футбольним полям), і з’єднаних через оптичне волокно довжиною 520 м. Це розділення є рекордним для захоплених іонів і встановлює віху в квантових комунікаційних і обчислювальних системах, заснованих на цих квантових частинках.

До квантової мережі

Квантові мережі є основою квантових комунікаційних систем. Серед їхніх переваг є те, що вони можуть об’єднати світ із безпрецедентною обчислювальною потужністю та безпекою, одночасно підвищуючи точність зондування та вимірювання часу для різноманітних застосувань – від метрології до навігації. Такі квантові мережі складатимуться з квантових комп’ютерів – вузлів – з’єднаних через обмін фотонами. Цей обмін може відбуватися у вільному просторі, подібно до того, як світло проходить через простір від Сонця до наших очей. Крім того, фотони можуть надсилатися через оптичні волокна, подібні до тих, що використовуються для передачі даних для Інтернету, телебачення та телефонних послуг.

Квантові комп’ютери на основі захоплених іонів пропонують багатообіцяючу платформу для квантових мереж і квантового зв’язку з двох причин. По-перше, їхні квантові стани відносно легко контролювати. Інша полягає в тому, що ці стани стійкі до зовнішніх збурень, які можуть порушити інформацію, що передається між вузлами та в них.

Уловлені іони кальцію

В останній роботі дослідницькі групи під керівництвом Трейсі Нортап та Бен Ланьон в Інсбруку вловлювали іони кальцію в пастки Пауля – конфігурацію електричного поля, яка створює силу на іон, утримуючи його в центрі пастки. Іони кальцію привабливі, оскільки вони мають просту електронну структуру та стійкі до шуму. «Вони сумісні з технологією, необхідною для квантових мереж; і вони також легко захоплюються та охолоджуються, тому підходять для масштабованих квантових мереж», – пояснює Марія Галлі, докторант в Інсбруку, який брав участь у роботі, яка описана в Physical Review Letters,.

Дослідники почали з розміщення одного захопленого іона в кожну з двох окремих оптичних порожнин. Ці порожнини є проміжками між парами дзеркал, які дозволяють точно контролювати та налаштовувати частоту світла, яке відбивається між ними (див. зображення вище). Цей суворий контроль має вирішальне значення для зв’язування або сплутування інформації іона з інформацією фотона.

Після заплутування іонно-фотонної системи в кожній із двох порожнин – вузлів мережі – дослідники виконали вимірювання, щоб охарактеризувати заплутану систему. Хоча вимірювання руйнує заплутаність, дослідникам довелося повторити цей процес кілька разів, щоб оптимізувати цей крок. Фотони, кожен з яких обплутаний одним з іонів кальцію, потім передаються через оптичне волокно, яке з’єднує два вузли, які розташовані в окремих будівлях.

Обмін інформацією

Хоча дослідники могли б перенести фотони у вільний простір, це ризикувало б порушити заплутаність іонів і фотонів через кілька джерел шуму. Оптичні волокна, навпаки, мають низькі втрати, вони також екранують фотони та зберігають їхню поляризацію, дозволяючи більший відрив між вузлами. Однак вони не ідеальні. «Ми спостерігали деякі дрейфи в поляризації. З цієї причини кожні 20 хвилин ми характеризували поляризаційне обертання волокна та коригували його». каже Галлі.

Два фотони обмінюються інформацією відповідних іонно-фотонних систем за допомогою процесу, відомого як вимірювання стану фотона (PBSM). У цій техніці селективного виявлення за станом хвильові функції фотонів перекриваються, створюючи інтерференційну картину, яку можна виміряти за допомогою чотирьох фотодетекторів.

Зчитуючи виміряні сигнали на фотодетекторах, дослідники можуть визначити, чи є інформація, яку несуть фотони – їхній стан поляризації – ідентичною чи ні. Відповідні пари результатів (стани горизонтальної або вертикальної поляризації) внаслідок цього віщують генерацію заплутування між віддаленими іонами.

Компроміси для успішного заплутування

Дослідникам довелося збалансувати кілька факторів, щоб створити сплутаність між іонами. Один — це часове вікно, в якому вони виконують остаточне спільне вимірювання фотонів. Чим довше це часове вікно, тим більше шансів у дослідників виявити фотони, але компроміс полягає в тому, що іони менше заплутуються. Це пояснюється тим, що вони прагнуть вловити фотони, які надходять одночасно, і надання більш тривалого часового вікна може призвести до виявлення фотонів, які насправді прибувають у різний час.

Дебютує тривузлова квантова мережа

Тому дослідникам потрібно було ретельно перевірити, наскільки сплутаності їм вдалося досягти за певний часовий проміжок. За часове вікно в 1 мікросекунду вони повторили експеримент понад 13 мільйонів разів, створивши 555 подій виявлення. Потім вони вимірювали стан іонів у кожному вузлі незалежно, щоб перевірити кореляцію, яка становила 88%. «Нашим останнім етапом вимірювання є вимірювання стану обох іонів, щоб переконатися, що існує очікувана кореляція стану», — говорить Галлі. «Це підтверджує, що нам вдалося створити заплутаність між двома іонами».

Від спринту до марафону

Два футбольні поля можуть здатися великою відстанню, на якій можна створити ненадійний квантовий заплутаний стан, але команда Інсбрука має більші плани. Вносячи зміни, наприклад, збільшуючи довжину хвилі фотонів, які використовуються для передачі інформації між іонами, дослідники сподіваються подолати набагато більшу відстань у 50 км – більше, ніж марафон.

У той час як інші дослідницькі групи раніше демонстрували заплутування на навіть більших відстанях за допомогою нейтральних атомів, іонні платформи мають певні переваги. Галлі зазначає, що точність квантових воріт, виконаних із захопленими іонами, краща, ніж квантових воріт, виконаних на атомах, головним чином тому, що взаємодії між іонами сильніші та стабільніші, ніж взаємодії між атомами, а час когерентності іонів набагато довший.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/