Более простой способ подключения квантовых компьютеров

Jul 05, 2023

Новое атомное устройство отправляет высокоточную квантовую информацию по оптоволоконным сетям

Принстонский университет, Инженерная школа

Изображение: Исследователи из Принстонского университета создали новый способ связать квантовые компьютеры с высокоточными сигналами, используя длины волн света телекоммуникационного диапазона.посмотреть больше

Фото: Фото Самира А. Хана/Fotobuddy

У исследователей есть новый способ соединения квантовых устройств на больших расстояниях, что является необходимым шагом на пути к тому, чтобы эта технология могла сыграть роль в будущих системах связи.

В то время как сегодняшние классические сигналы данных могут усиливаться в городе или океане, квантовые сигналы не могут. Их необходимо повторять через определенные промежутки времени, то есть останавливать, копировать и передавать дальше специализированными машинами, называемыми квантовыми повторителями. Многие эксперты полагают, что эти квантовые повторители будут играть ключевую роль в будущих сетях связи, обеспечивая повышенную безопасность и обеспечивая соединения между удаленными квантовыми компьютерами.

Принстонское исследование, опубликованное 30 августа в журнале Nature, подробно описывает основу нового подхода к созданию квантовых повторителей. Он излучает готовый к использованию в телекоммуникациях свет, излучаемый одним ионом, имплантированным в кристалл. По словам Джеффа Томпсона, главного автора исследования, эти усилия готовились в течение многих лет. Работа объединила достижения в области фотонного дизайна и материаловедения.

Другие ведущие конструкции квантовых повторителей излучают свет в видимом спектре, который быстро ухудшается в оптическом волокне и должен быть преобразован перед путешествием на большие расстояния. Новое устройство основано на одном редкоземельном ионе, имплантированном в основной кристалл. А поскольку этот ион излучает свет идеальной инфракрасной длины волны, ему не требуется такого преобразования сигнала, что может привести к созданию более простых и надежных сетей.

Устройство состоит из двух частей: кристалла вольфрамата кальция, легированного всего несколькими ионами эрбия, и наноскопического кусочка кремния, выгравированного в J-образный канал. Под действием специального лазера ион излучает свет через кристалл. Но кремниевый кусочек, кусок полупроводника, прикрепленный к верхней части кристалла, ловит и направляет отдельные фотоны в оптоволоконный кабель.

По словам Томпсона, в идеале этот фотон должен быть закодирован информацией от иона. Или, точнее, из квантового свойства иона, называемого спином. В квантовом ретрансляторе сбор и интерференция сигналов от удаленных узлов создаст запутывание между их спинами, что позволит осуществлять сквозную передачу квантовых состояний, несмотря на потери на этом пути.

Команда Томпсона впервые начала работать с ионами эрбия несколько лет назад, но в первых версиях использовались другие кристаллы, которые содержали слишком много шума. В частности, этот шум приводил к случайному скачку частоты испускаемых фотонов в процессе, известном как спектральная диффузия. Это предотвратило тонкую квантовую интерференцию, необходимую для работы квантовых сетей. Чтобы решить эту проблему, его лаборатория начала работать с Натали де Леон, доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники, и Робертом Кава, ведущим ученым по твердотельным материалам и профессором химии Принстона Рассела Веллмана Мура, над исследованием новых материалов, которые могли бы содержать одиночные ионы эрбия с гораздо меньшим шумом.

Они сократили список материалов-кандидатов с сотен тысяч до нескольких сотен, затем пары десятков, затем трех. На тестирование каждого из трёх финалистов ушло по полгода. Первый материал оказался недостаточно понятным. Второе привело к тому, что эрбий имел плохие квантовые свойства. А вот третий, вольфрамат кальция, оказался в самый раз.

Чтобы продемонстрировать, что новый материал подходит для квантовых сетей, исследователи построили интерферометр, в котором фотоны случайным образом проходят один из двух путей: короткий путь длиной в несколько футов или длинный путь длиной 22 мили (состоящий из намотанных оптических волокно). Фотоны, испускаемые ионом, могут идти по длинному или короткому пути, и примерно в половине случаев последовательные фотоны идут противоположными путями и достигают выхода одновременно.