Nguyên tử đất hiếm có thể tạo ra bộ lặp lượng tử ở bước sóng viễn thông – Vật lý Thế giới

Nguyên tử đất hiếm có thể tạo ra bộ lặp lượng tử ở bước sóng viễn thông – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: Ngày 13 tháng 2023 năm 3 24:XNUMX AM

Hình ảnh của thiết bị erbium, là một con chip màu xám chứa một mạng lưới các lỗ và hai kênh giống như dải băng
Tương thích với viễn thông: Hình ảnh của thiết bị được sử dụng trong thử nghiệm. (Lịch sự: Lukasz Dusanowski)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Princeton ở Mỹ đã thực hiện một bước quan trọng hướng tới hiện thực hóa mạng lượng tử có thể mở rộng nhờ một nguyên tố đất hiếm: erbium. Erbium phát ra và hấp thụ tốt các photon ở bước sóng được sử dụng trong ngành viễn thông, đây là một lợi thế vì những photon này có thể truyền đi những khoảng cách xa với độ suy giảm ít trong các sợi quang tiêu chuẩn. Khai thác sức mạnh này trong lĩnh vực lượng tử là một thách thức, nhưng đội Princeton đã thành công trong việc điều khiển một thiết bị dựa trên erbium phát ra các photon giống hệt nhau – điều kiện tiên quyết để các bộ lặp lượng tử chia sẻ thông tin lượng tử trên những khoảng cách rộng lớn.

“Sợi pha tạp Erbium được sử dụng làm bộ lặp cổ điển để tạo ra bộ khuếch đại sợi cổ điển cho tất cả các loại liên kết truyền thông quang học, như cáp đường dài dưới biển,” cho biết Jeff Thompson, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Princeton và là nhà nghiên cứu chính của công trình. “Vì vậy, đối với tôi, việc cố gắng tạo ra một phiên bản lượng tử của điều đó là điều rất tự nhiên.”

Thuận lợi nhưng khó thực hiện

Photon có thể là vật mang thông tin tự nhiên, nhưng chúng khó bám vào và hiếm khi tương tác với nhau. Điều này có nghĩa là nếu một photon bị mất hoặc thông tin được mã hóa trong đó bị suy giảm thì các photon khác không thể đến giải cứu. Thay vào đó, thông tin lượng tử cần được lưu trữ trong một loại bộ nhớ nào đó – trong trường hợp này là một nguyên tử. “Bộ lặp lượng tử thực sự chỉ là một cách ánh xạ thông tin lượng tử qua lại giữa ánh sáng và nguyên tử,” giải thích Elizabeth Goldschmidt, giáo sư quang học lượng tử tại Đại học Illinois-Urbana Champaign, Hoa Kỳ, người không tham gia vào công việc.

Trong các mạng lượng tử dựa trên bộ lặp, ý tưởng là thiết lập sự vướng víu giữa hai điểm ở xa bằng cách chia khoảng cách đó thành các phần. Cách thức hoạt động của nó là một bộ lặp lượng tử ở một đầu của kênh đường dài phát ra một photon, và trong quá trình đó, nó bị vướng vào nó. Một bộ lặp khác cách kênh một khoảng ngắn cũng phát ra một photon theo hướng của bộ lặp đầu tiên. Khi hai photon gặp nhau, chúng được đo theo cách khiến chúng vướng víu. Chừng nào các photon còn bị vướng víu với các nguồn phát tương ứng của chúng thì các nguồn phát cũng trở nên vướng víu. Bằng cách tiếp tục quá trình này trong chuỗi, cuối cùng hai bộ phát ở hai đầu đối diện của kênh sẽ bị vướng vào nhau. Sau đó, chúng có thể được sử dụng làm khóa chung trong sơ đồ phân phối khóa lượng tử hoặc chúng có thể chia sẻ một chút thông tin lượng tử thông qua giao thức dịch chuyển tức thời lượng tử.

Nhắc lại theo tôi

Các công nghệ lặp lượng tử khác đã được phát triển bằng cách sử dụng nhiều nguyên tử hoặc khuyết tật khác nhau trong kim cương. Tuy nhiên, các hệ thống này thường phát ra các photon ở tần số gần khả kiến, làm suy giảm nhanh chóng trong sợi quang. Để hoạt động tối ưu, chúng yêu cầu chuyển đổi tần số, việc này phức tạp và có thể tốn kém. Một bộ lặp tự động phát ra ánh sáng có màu mong muốn sẽ đơn giản hóa quá trình này rất nhiều.

Để làm cho nguyên tử erbium hoạt động như một bộ lặp lượng tử như vậy, cần phải thực hiện đúng hai điều chính. Đầu tiên, nguyên tử cần phát ra các photon đủ nhanh để biến sơ đồ này thành hiện thực. Thứ hai, photon phát ra phải bảo toàn các tính chất lượng tử của nó và luôn bị vướng víu với nguyên tử đã phát ra nó bất chấp sự gián đoạn – một tính chất được gọi là tính kết hợp.

Thật không may, các nguyên tử erbium trong tự nhiên rất hiếm khi phát ra các photon dải tần viễn thông. Để tăng tốc độ phát xạ của erbium ở màu mong muốn, nhóm nghiên cứu đã đặt nguyên tử này bên trong một tinh thể, cách bề mặt chỉ vài nanomet. Trên tinh thể này, họ đặt một khoang, là một thiết bị quang tử nano silicon được thiết kế để bẫy ánh sáng ở bước sóng chính xác mà erbium phát ra. Bằng nguyên tử erbium tới khoang này, các nhà nghiên cứu ở Princeton đã thuyết phục nó phát ra các photon viễn thông thường xuyên hơn gần 1000 lần so với cách khác.

Chọn một cách khôn ngoan

Để duy trì sự kết hợp lượng tử của các photon đủ lâu để truyền sự vướng víu, Thompson và các đồng nghiệp phải chọn vật liệu tinh thể của họ rất cẩn thận. Từ hàng nghìn khả năng ban đầu, họ đã thử khoảng 20 khả năng trong phòng thí nghiệm trước khi giải quyết bằng canxi tungstate, chất mang lại sự kết hợp của các photon phát ra đủ cao để chúng tham gia vào giao thoa lượng tử với nhau. Sự giao thoa lượng tử này là cần thiết cho giai đoạn đo sự vướng víu photon trong kiến ​​trúc bộ lặp lượng tử.

Bước tiếp theo, mà các nhà nghiên cứu Princeton cho rằng nằm trong tầm tay, là chứng minh sự vướng víu giữa các photon phát ra từ các nguyên tử erbium khác nhau. Sau đó, vấn đề là nối chuỗi các bộ lặp lại với nhau để tạo thành một kênh liên lạc lượng tử. Các nhà nghiên cứu tin rằng công nghệ này sẽ dễ dàng mở rộng quy mô vì nó thúc đẩy ngành công nghiệp quang tử silicon trưởng thành. “Tôi nghĩ đây là một điều rất mới lạ và quan trọng,” Goldschmidt nói. “Các nguyên tử đất hiếm có thể giữ lại phần lớn sự kết hợp tuyệt vời mà bạn có được với các nguyên tử hoặc ion trong chân không, đồng thời có tính kỹ thuật cao và tương thích với việc tích hợp thiết bị, như được thể hiện rất rõ ràng trong nghiên cứu này”.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý