Дослідники з Японії оголосили про квантовий прогрес кімнатної температури – Аналіз новин про високопродуктивні обчислення | всередині HPC

Доцент Марк Садгроув і пан Кайто Шімізу з TUS і професор Кае Немото з Окінавського науково-технічного університету також брали участь у цьому дослідженні. Це нещодавно розроблене однофотонне джерело світла усуває потребу в дорогих системах охолодження та має потенціал, щоб зробити квантові мережі більш економічно ефективними та доступними.

Квантово-механічні випромінювачі з одним фотоном з’єднують квантові біти (або кубіти) між вузлами в квантових мережах. Зазвичай вони виготовляються шляхом вбудовування рідкоземельних елементів в оптичні волокна при надзвичайно низьких температурах. Тепер дослідники з Японії на чолі з доцентом Каору Санака з Токійського університету науки розробили леговане ітербієм оптичне волокно при кімнатній температурі. Уникаючи дорогих рішень для охолодження, запропонований метод пропонує економічно ефективну платформу для фотонних квантових застосувань.

Квантові системи обіцяють швидші обчислення та надійніше шифрування для обчислювальних і комунікаційних систем. Ці системи можуть бути побудовані на оптоволоконних мережах, що включають взаємопов’язані вузли, які складаються з кубітів і однофотонних генераторів, які створюють заплутані пари фотонів.

У цьому відношенні атоми та іони рідкоземельних елементів (RE) у твердих матеріалах є дуже перспективними як однофотонні генератори. Ці матеріали сумісні з оптоволоконними мережами та випромінюють фотони в широкому діапазоні довжин хвиль. Завдяки широкому спектральному діапазону оптичні волокна, леговані цими елементами ВЗ, можуть бути використані в різних сферах застосування, таких як телекомунікації у вільному просторі, телекомунікації на основі оптоволокна, генерація квантових випадкових чисел і аналіз зображень з високою роздільною здатністю. Однак досі однофотонні джерела світла були розроблені з використанням кристалічних матеріалів, легованих RE, при кріогенних температурах, що обмежує практичне застосування квантових мереж на їх основі.

Щоб виготовити леговане ітербієм оптичне волокно, дослідники звужували комерційно доступне леговане ітербієм волокно, використовуючи техніку нагрівання та витягування, коли частина волокна нагрівається, а потім тягнеться з напругою, щоб поступово зменшити його діаметр.

Усередині конічного волокна окремі атоми RE випромінюють фотони під час збудження лазером. Поділ між цими атомами RE відіграє вирішальну роль у визначенні оптичних властивостей волокна. Наприклад, якщо середня відстань між окремими атомами ВЗЕ перевищує межу оптичної дифракції, яка визначається довжиною хвилі випромінюваних фотонів, світло, випромінюване цими атомами, здається так, ніби воно надходить від кластерів, а не від окремих окремих джерел.

Щоб підтвердити природу випромінюваних фотонів, дослідники застосували аналітичний метод, відомий як автокореляція, який оцінює подібність між сигналом і його затриманою версією. Аналізуючи картину випромінюваних фотонів за допомогою автокореляції, дослідники спостерігали нерезонансні випромінювання та додатково отримали докази випромінювання фотонів від одного іона ітербію в легованому фільтрі.

Хоча якість і кількість випромінюваних фотонів можна додатково підвищити, розроблене оптичне волокно з атомами ітербію можна виготовити без необхідності використання дорогих систем охолодження. Це долає значну перешкоду та відкриває двері для різних квантових інформаційних технологій нового покоління. «Ми продемонстрували недороге однофотонне джерело світла з можливістю вибору довжини хвилі та без потреби в системі охолодження. У майбутньому це може задіяти різноманітні квантові інформаційні технології наступного покоління, такі як справжні генератори випадкових чисел, квантовий зв’язок, квантові логічні операції та аналіз зображень із високою роздільною здатністю за дифракційною межею», – підсумовує доктор Санака.