Lille optisk hulrum kunne gøre kvantenetværk mulige

Ingeniører hos Caltech har vist, at atomer i optiske hulrum - små kasser til lys - kunne være grundlaget for skabelsen af ​​et kvanteinternet. Deres arbejde blev offentliggjort den 30. marts af tidsskriftet Natur .

Kvantenetværk ville forbinde kvantecomputere gennem et system, der også fungerer på et kvanteniveau, snarere end klassisk, niveau. I teorien, kvantecomputere vil en dag kunne udføre visse funktioner hurtigere end klassiske computere ved at drage fordel af kvantemekanikkens særlige egenskaber, inklusive superposition, som tillader kvantebits at lagre information som et 1 og et 0 samtidigt.

Som de kan med klassiske computere, ingeniører vil gerne være i stand til at forbinde flere kvantecomputere for at dele data og arbejde sammen – hvilket skaber et "kvanteinternet". Dette ville åbne døren til flere applikationer, herunder løsning af beregninger, der er for store til at blive håndteret af en enkelt kvantecomputer og etablering af ubrydelig sikker kommunikation ved hjælp af kvantekryptografi.

For at arbejde, et kvantenetværk skal være i stand til at transmittere information mellem to punkter uden at ændre kvanteegenskaberne for den information, der transmitteres. En nuværende model fungerer sådan:et enkelt atom eller ion fungerer som en kvantebit (eller "qubit"), der lagrer information via en, hvis dens kvanteegenskaber, såsom spin. For at læse disse oplysninger og overføre dem andre steder, atomet exciteres med en lyspuls, får den til at udsende en foton, hvis spin er viklet ind i atomets spin. Fotonen kan derefter transmittere informationen viklet ind i atomet over en lang afstand via fiberoptisk kabel.

Det er sværere end det lyder, imidlertid. At finde atomer, som du kan kontrollere og måle, og som heller ikke er for følsomme over for magnetiske eller elektriske feltsvingninger, der forårsager fejl, eller usammenhæng, er udfordrende.

"Faststofemittere, der interagerer godt med lys, bliver ofte ofre for dekohærens, dvs. de holder op med at gemme information på en måde, der er nyttig for den potentielle kvanteteknologi, " siger Jon Kindem (MS '17, Ph.D. '19), hovedforfatter af Natur papir. I mellemtiden atomer af sjældne jordarters grundstoffer - som har egenskaber, der gør grundstofferne nyttige som qubits - har en tendens til at interagere dårligt med lys.

For at overkomme denne udfordring, forskere ledet af Caltechs Andrei Faraon (BS '04), professor i anvendt fysik og elektroteknik, konstruerede et nanofotonisk hulrum, en stråle, der er omkring 10 mikron lang med periodisk nano-mønster, skulptureret af et stykke krystal. De identificerede derefter en sjælden jordart ytterbium-ion i midten af ​​strålen. Det optiske hulrum giver dem mulighed for at hoppe lys frem og tilbage ned ad strålen flere gange, indtil det endelig absorberes af ionen.

I den Natur papir, holdet viste, at hulrummet ændrer ionens miljø, således at når det udsender en foton, mere end 99 procent af den tid, den foton forbliver i hulrummet, hvor videnskabsmænd derefter effektivt kan indsamle og detektere den foton for at måle ionens tilstand. Dette resulterer i en stigning i den hastighed, hvormed ionen kan udsende fotoner, at forbedre systemets overordnede effektivitet.

Ud over, ytterbium-ionerne er i stand til at lagre information i deres spin i 30 millisekunder. I denne tid, lys kunne overføre information til at rejse på tværs af det kontinentale USA. "Dette tjekker de fleste af boksene. Det er en sjælden jordart ion, der absorberer og udsender fotoner på præcis den måde, vi har brug for for at skabe et kvantenetværk, " siger Faraon, professor i anvendt fysik og elektroteknik. "Dette kunne danne rygradsteknologien for kvanteinternettet."

I øjeblikket, holdets fokus er på at skabe byggestenene i et kvantenetværk. Næste, de håber på at opskalere deres eksperimenter og faktisk forbinde to kvantebits, siger Faraon.

Deres papir har titlen "Kontrol og enkelt-shot udlæsning af en ion indlejret i et nanofotonisk hulrum."