by Meredith Fore, Chicago Quantum Exchange. https://phys.org/news/2023-03-quantum-technologies-important-internet.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter
Исследователи обнаружили способ «перевода» квантовой информации между различными видами квантовых технологий, что имеет значительные последствия для квантовых вычислений, коммуникации и сетевого взаимодействия.
Исследование было опубликовано в журнале Nature в среду. Это представляет собой новый способ преобразования квантовой информации из формата, используемого квантовыми компьютерами, в формат, необходимый для квантовой коммуникации.
Фотоны — частицы света — необходимы для квантовых информационных технологий, но разные технологии используют их на разных частотах. Например, некоторые из наиболее распространенных технологий квантовых вычислений основаны на сверхпроводящих кубитах, таких как те, что используются технологическими гигантами Google и IBM; эти кубиты хранят квантовую информацию в виде фотонов, которые движутся на микроволновых частотах.
Но если вы хотите построить квантовую сеть или подключить квантовые компьютеры, вы не можете посылать микроволновые фотоны, потому что их связь с квантовой информацией слишком слаба, чтобы пережить путешествие.
«Многие технологии, которые мы используем для классической связи — сотовые телефоны, Wi-Fi, GPS и тому подобное, — все используют микроволновые частоты света», — сказала Айшвария Кумар, постдок Института Джеймса Франка при Чикагском университете и ведущий автор статьи. «Но вы не можете сделать этого для квантовой связи, потому что необходимая вам квантовая информация содержится в одном фотоне. А на микроволновых частотах эта информация будет скрыта в тепловом шуме».
Решение состоит в передаче квантовой информации высокочастотному фотону, называемому оптическим фотоном, который гораздо более устойчив к окружающему шуму. Но информация не может передаваться непосредственно от фотона к фотону; вместо этого нам нужна промежуточная материя. В некоторых экспериментах для этой цели разрабатываются твердотельные устройства, но эксперимент Кумара был нацелен на нечто более фундаментальное: атомы.
Электронам в атомах разрешено обладать только определенными количествами энергии, называемыми энергетическими уровнями. Если электрон находится на более низком энергетическом уровне, его можно возбудить до более высокого энергетического уровня, ударив по нему фотоном, энергия которого точно соответствует разнице между более высоким и более низким уровнями. Аналогично, когда электрон вынужден опускаться на более низкий энергетический уровень, атом затем испускает фотон с энергией, соответствующей разнице энергий между уровнями.
Так получилось, что атомы рубидия имеют два разрыва в своих уровнях, которые использует технология Кумара: один, который в точности равен энергии микроволнового фотона, и другой, который в точности равен энергии оптического фотона. Используя лазеры для смещения электронных энергий атома вверх и вниз, технология позволяет атому поглощать микроволновый фотон с квантовой информацией, а затем излучать оптический фотон с этой квантовой информацией. Этот перевод между различными режимами квантовой информации называется «трансдукцией».
Эффективное использование атомов для этой цели стало возможным благодаря значительному прогрессу, которого добились ученые в манипулировании такими маленькими объектами. «За последние 20 или 30 лет мы, как сообщество, создали замечательную технологию, которая позволяет нам контролировать практически все, что связано с атомами», — сказал Кумар. «Таким образом, эксперимент очень контролируемый и эффективный».
Он говорит, что другим секретом их успеха является прогресс в области квантовой электродинамики резонаторов, где фотон удерживается в сверхпроводящей отражающей камере. Заставляя фотон подпрыгивать в замкнутом пространстве, сверхпроводящий резонатор усиливает взаимодействие между фотоном и любым веществом, находящимся внутри него.
Их камера выглядит не очень замкнутой — на самом деле она больше напоминает брусок швейцарского сыра. Но то, что выглядит как дыры, на самом деле является туннелями, которые пересекаются в очень специфической геометрии, так что фотоны или атомы могут быть захвачены на пересечении. Это продуманная конструкция, которая также позволяет исследователям получить доступ к камере, чтобы они могли вводить атомы и фотоны.
Технология работает в обоих направлениях: она может передавать квантовую информацию от микроволновых фотонов к оптическим фотонам и наоборот. Таким образом, он может находиться по обе стороны от междугороднего соединения между двумя сверхпроводящими кубитными квантовыми компьютерами и служить фундаментальным строительным блоком для квантового интернета.
Но Кумар считает, что у этой технологии может быть гораздо больше применений, чем просто квантовые сети. Его основная способность заключается в сильном запутывании атомов и фотонов — важной и трудной задаче во многих различных квантовых технологиях в этой области.
«Одна из вещей, которая нас действительно волнует, — это способность этой платформы генерировать действительно эффективную запутанность», — сказал он. «Запутанность занимает центральное место почти во всем квантовом, что нас волнует, от вычислений до моделирования, метрологии и атомных часов. Мне не терпится посмотреть, что еще мы можем сделать».
Provided by Chicago Quantum Exchange. Journal information: https://phys.org/journals/nature/