Brug af lysets kvanteegenskaber til at overføre information

Forskere ved University of Rochester og Cornell University har taget et vigtigt skridt mod at udvikle et kommunikationsnetværk, der udveksler information på tværs af lange afstande ved hjælp af fotoner, masseløse målinger af lys, der er centrale elementer i kvanteberegning og kvantekommunikationssystemer.

Forskergruppen har designet en nanoskala node lavet af magnetiske og halvledende materialer, der kan interagere med andre noder, ved hjælp af laserlys til at udsende og acceptere fotoner.

Udviklingen af ​​et sådant kvantennetværk - designet til at drage fordel af de fysiske egenskaber ved lys og stof karakteriseret ved kvantemekanik - lover hurtigere, mere effektive måder at kommunikere på, beregne, og detektere objekter og materialer i forhold til netværk, der i øjeblikket bruges til computing og kommunikation.

Beskrevet i journalen Naturkommunikation , knuden består af en række søjler på kun 120 nanometer høje. Søjlerne er en del af en platform, der indeholder atomisk tynde lag af halvleder og magnetiske materialer.

Arrayen er konstrueret således, at hver søjle fungerer som en lokaliseringsmarkør for en kvantetilstand, der kan interagere med fotoner, og de tilhørende fotoner kan potentielt interagere med andre placeringer på tværs af enheden - og med lignende arrays andre steder. Dette potentiale til at forbinde kvanteknuder på tværs af et fjerntnetværk udnytter begrebet sammenfiltring, et fænomen med kvantemekanik, der, på sit helt grundlæggende niveau, beskriver, hvordan partiklernes egenskaber er forbundet på det subatomære niveau.

"Dette er begyndelsen til at have en slags register, hvis du kan lide, hvor forskellige rumlige steder kan gemme oplysninger og interagere med fotoner, "siger Nick Vamivakas, professor i kvanteoptik og kvantefysik i Rochester.

Mod 'miniaturisering af en kvantecomputer'

Projektet bygger videre på arbejde, Vamivakas Lab har udført i de seneste år ved hjælp af wolframdiselenid (WSe2) i såkaldte Van der Waals heterostrukturer. Det arbejde bruger lag af atomtynde materialer oven på hinanden til at oprette eller fange enkeltfotoner.

Den nye enhed bruger en ny justering af WSe2, der er draperet over søjlerne med en underliggende, stærkt reaktivt lag af chromtriiodid (CrI3). Hvor atomisk tyndt, 12-mikron område lag berører, CrI3 overfører en elektrisk ladning til WSe2, skabe et "hul" ved siden af ​​hver af søjlerne.

I kvantefysikken, et hul er karakteriseret ved fravær af en elektron. Hvert positivt ladet hul har også en binær nord/syd magnetisk egenskab forbundet med det, så hver også er en nanomagnet

Når enheden bades i laserlys, der opstår yderligere reaktioner, forvandle nanomagneterne til individuelt optisk aktive spin -arrays, der udsender og interagerer med fotoner. Mens klassisk informationsbehandling handler i bits, der har værdier på enten nul eller en, spin -tilstande kan kode både nul og en på samme tid, udvide mulighederne for informationsbehandling.

"At være i stand til at kontrollere hullespindorientering ved hjælp af ultratynd og 12-mikron stor CrI3, erstatter behovet for at bruge eksterne magnetfelter fra gigantiske magnetiske spoler, der ligner dem, der bruges i MR -systemer, "siger hovedforfatter og kandidatstuderende Arunabh Mukherjee." Dette vil gå langt med at miniaturisere en kvantecomputer baseret på spins med et enkelt hul. "

Kommer stadig:Forvikling på afstand?

To store udfordringer konfronterede forskerne med at skabe enheden.

Den ene var at skabe et inert miljø, hvor man kunne arbejde med det meget reaktive CrI3. Det var her, samarbejdet med Cornell University kom i spil. "De har stor ekspertise med chromtriiodidet, og da vi arbejdede med det for første gang, vi koordinerede med dem om dette aspekt af det, "Siger Vamivakas. F.eks. fremstilling af CrI3 blev udført i nitrogenfyldte handskerum for at undgå ilt- og fugtforringelse.

Den anden udfordring var at bestemme den helt rigtige konfiguration af søjler for at sikre, at hullerne og spindalene, der er knyttet til hver søjle, kunne registreres korrekt for til sidst at linke til andre knuder.

Og deri ligger den næste store udfordring:at finde en måde at sende fotoner lange afstande gennem en optisk fiber til andre noder, samtidig med at deres egenskaber ved sammenfiltring bevares.

"Vi har endnu ikke konstrueret enheden til at fremme den slags adfærd, "Vamivakas siger." Det er ned ad vejen. "