Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản công bố tiến bộ lượng tử ở nhiệt độ phòng – Tin tức về máy tính hiệu suất cao Phân tích | bên trongHPC

Phó giáo sư Mark Sadgrove và ông Kaito Shimizu từ TUS và Giáo sư Kae Nemoto từ Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa sau đại học cũng tham gia vào nghiên cứu này. Nguồn sáng photon đơn mới được phát triển này giúp loại bỏ nhu cầu về hệ thống làm mát đắt tiền và có tiềm năng làm cho mạng lượng tử tiết kiệm chi phí hơn và dễ tiếp cận hơn.

Các bộ phát photon đơn kết nối cơ học các bit lượng tử (hoặc qubit) giữa các nút trong mạng lượng tử. Chúng thường được tạo ra bằng cách nhúng các nguyên tố đất hiếm vào sợi quang ở nhiệt độ cực thấp. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đến từ Nhật Bản, dẫn đầu bởi Phó giáo sư Kaoru Sanaka từ Đại học Khoa học Tokyo, đã phát triển được sợi quang pha tạp ytterbium ở nhiệt độ phòng. Bằng cách tránh nhu cầu về các giải pháp làm mát đắt tiền, phương pháp được đề xuất cung cấp một nền tảng tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng lượng tử quang tử.

Các hệ thống dựa trên lượng tử hứa hẹn tính toán nhanh hơn và mã hóa mạnh hơn cho các hệ thống tính toán và truyền thông. Các hệ thống này có thể được xây dựng trên mạng cáp quang bao gồm các nút được kết nối với nhau bao gồm các qubit và bộ tạo photon đơn tạo ra các cặp photon vướng víu.

Về vấn đề này, các nguyên tử và ion đất hiếm (RE) trong vật liệu ở trạng thái rắn rất có triển vọng trở thành máy tạo photon đơn lẻ. Những vật liệu này tương thích với mạng cáp quang và phát ra các photon trên một phạm vi bước sóng rộng. Do dải phổ rộng của chúng, các sợi quang được pha tạp các nguyên tố RE này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như viễn thông trong không gian tự do, viễn thông dựa trên sợi quang, tạo số ngẫu nhiên lượng tử và phân tích hình ảnh có độ phân giải cao. Tuy nhiên, cho đến nay, các nguồn sáng đơn photon đã được phát triển bằng cách sử dụng vật liệu tinh thể pha tạp RE ở nhiệt độ đông lạnh, điều này hạn chế các ứng dụng thực tế của mạng lượng tử dựa trên chúng.

Để chế tạo sợi quang pha tạp ytterbium, các nhà nghiên cứu đã tạo hình thuôn nhọn sợi pha tạp ytterbium có bán trên thị trường bằng kỹ thuật kéo nhiệt, trong đó một phần sợi được làm nóng và sau đó kéo bằng lực căng để giảm dần đường kính của nó.

Trong sợi thuôn nhọn, từng nguyên tử RE riêng lẻ phát ra các photon khi bị kích thích bằng tia laser. Sự tách biệt giữa các nguyên tử RE này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất quang của sợi. Chẳng hạn, nếu khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử RE riêng lẻ vượt quá giới hạn nhiễu xạ quang học, giới hạn được xác định bởi bước sóng của các photon phát ra, thì ánh sáng phát ra từ các nguyên tử này xuất hiện như thể nó đến từ các cụm chứ không phải từ các nguồn riêng lẻ.

Để xác nhận bản chất của các photon phát ra này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp phân tích được gọi là tự tương quan, phương pháp này đánh giá sự giống nhau giữa tín hiệu và phiên bản bị trễ của nó. Bằng cách phân tích mẫu photon phát ra bằng phương pháp tự tương quan, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự phát xạ không cộng hưởng và thu được thêm bằng chứng về sự phát xạ photon từ ion ytterbium đơn lẻ trong bộ lọc pha tạp.

Trong khi chất lượng và số lượng photon phát ra có thể được nâng cao hơn nữa, sợi quang được phát triển với các nguyên tử ytterbium có thể được sản xuất mà không cần hệ thống làm mát đắt tiền. Điều này vượt qua một trở ngại đáng kể và mở ra cánh cửa cho nhiều công nghệ thông tin lượng tử thế hệ tiếp theo. “Chúng tôi đã chứng minh được nguồn sáng đơn photon chi phí thấp với bước sóng có thể lựa chọn và không cần hệ thống làm mát. Trong tương lai, nó có thể kích hoạt nhiều công nghệ thông tin lượng tử thế hệ tiếp theo như bộ tạo số ngẫu nhiên thực sự, giao tiếp lượng tử, hoạt động logic lượng tử và phân tích hình ảnh có độ phân giải cao vượt quá giới hạn nhiễu xạ,” Tiến sĩ Sanaka kết luận.