Az új kísérlet a kvantuminformációkat a technológiák között fordítja le, ami fontos lépés a kvantuminternet számára

24. március 2023. (Nanowerk News) A kutatók felfedezték a kvantuminformációk „lefordításának” módját a különböző kvantumtechnológiák között, ami jelentős hatással van a kvantumszámításra, a kommunikációra és a hálózatépítésre. A kutatás a folyóiratban jelent meg Természet („Kvantumalapú milliméteres hullám az optikai transzdukcióig semleges atomok segítségével”). Ez egy új módot jelent a kvantuminformációk átalakítására a kvantumszámítógépek által használt formátumból a kvantumkommunikációhoz szükséges formátumba. Nióbium szupravezető üreg. A lyukak alagutakhoz vezetnek, amelyek egymást metszik, hogy megfogják a fényt és az atomokat. (Kép: Aishwarya Kumar) A fotonok – a fény részecskéi – elengedhetetlenek a kvantuminformációs technológiákhoz, de a különböző technológiák eltérő frekvencián használják őket. Például a legelterjedtebb kvantumszámítási technológia szupravezető qubiteken alapul, mint amilyeneket a Google és az IBM technológiai óriások használnak; ezek a qubitek kvantuminformációkat tárolnak fotonokban, amelyek mikrohullámú frekvencián mozognak. De ha kvantumhálózatot akarunk építeni, vagy kvantumszámítógépeket akarunk összekötni, akkor nem küldhetünk körbe mikrohullámú fotonokat, mert azok kvantuminformációihoz való fogásuk túl gyenge ahhoz, hogy túlélje az utazást. „A klasszikus kommunikációhoz használt technológia nagy része – mobiltelefonok, Wi-Fi, GPS és hasonlók – mindegyik mikrohullámú fényfrekvenciát használ” – mondta Aishwarya Kumar, a Chicagói Egyetem James Franck Intézetének posztdoktora. a lap vezető szerzője. „De ezt nem lehet megtenni kvantumkommunikációhoz, mert a szükséges kvantuminformáció egyetlen fotonban van. A mikrohullámú frekvenciákon pedig ezt az információt a hőzaj temeti el.” A megoldás az, hogy a kvantuminformációt egy magasabb frekvenciájú fotonra, úgynevezett optikai fotonra továbbítják, amely sokkal ellenállóbb a környezeti zajokkal szemben. De az információ nem vihető át közvetlenül fotonról fotonra; ehelyett közvetítő anyagra van szükségünk. Egyes kísérletek szilárdtest-eszközöket terveznek erre a célra, de Kumar kísérlete valami alapvetőbbre irányult: az atomokra. Az atomokban lévő elektronok csak bizonyos meghatározott mennyiségű energiával rendelkezhetnek, ezeket energiaszinteknek nevezzük. Ha egy elektron alacsonyabb energiaszinten ül, akkor magasabb energiaszintre gerjeszthető egy olyan fotonnal, amelynek energiája pontosan megegyezik a magasabb és az alacsonyabb szint közötti különbséggel. Hasonlóképpen, amikor egy elektront arra kényszerítenek, hogy alacsonyabb energiaszintre süllyedjen, az atom ezután olyan fotont bocsát ki, amelynek energiája megegyezik a szintek közötti energiakülönbséggel. A rubídium elektronenergia-szintjének diagramja. Az energiaszint-rések közül kettő megfelel az optikai fotonok, illetve a mikrohullámú fotonok frekvenciájának. A lézereket arra használják, hogy az elektront magasabb szintre ugorjanak vagy alacsonyabb szintre zuhanjanak. (Kép: Aishwarya Kumar) A rubídium atomok szintjein két hézag van, amit Kumar technológiája kihasznál: az egyik, amely pontosan megegyezik egy mikrohullámú foton energiájával, és egy, amely pontosan megegyezik egy optikai foton energiájával. Az atom elektronenergiájának felfelé és lefelé történő eltolására lézerek segítségével a technológia lehetővé teszi, hogy az atom kvantuminformációval elnyeljen egy mikrohullámú fotont, majd ezzel a kvantuminformációval optikai fotont bocsátson ki. Ezt a kvantuminformáció különböző módozatai közötti fordítást „transzdukciónak” nevezik. Az atomok ilyen célra történő hatékony felhasználását a tudósok jelentős előrehaladása tette lehetővé az ilyen kis tárgyak manipulálása terén. "Mi, mint közösség figyelemre méltó technológiát építettünk ki az elmúlt 20-30 évben, amely lehetővé teszi, hogy lényegében mindent irányíthassunk az atomokkal kapcsolatban" - mondta Kumar. "Tehát a kísérlet nagyon ellenőrzött és hatékony." Azt mondja, hogy sikerük másik titka az üreges kvantumelektrodinamika terén elért haladás, ahol egy foton egy szupravezető, visszaverő kamrában reked. A szupravezető üreg arra kényszeríti a fotont, hogy ugráljon egy zárt térben, és megerősíti a foton és a benne elhelyezett anyag közötti kölcsönhatást. A kamrájuk nem tűnik túl zártnak – valójában inkább egy svájci sajttömbhöz hasonlít. A lyukak azonban valójában alagutak, amelyek egy nagyon meghatározott geometriában metszik egymást, így a fotonok vagy atomok csapdába eshetnek egy metszéspontban. Ez egy okos kialakítás, amely lehetővé teszi a kutatók számára a kamrához való hozzáférést, hogy befecskendezhessék az atomokat és a fotonokat. A technológia mindkét irányban működik: kvantuminformációkat képes átvinni a mikrohullámú fotonokról az optikai fotonokra, és fordítva. Így a két szupravezető qubit kvantumszámítógép közötti nagy távolságú kapcsolat mindkét oldalán lehet, és a kvantuminternet alapvető építőköveként szolgálhat. De Kumar úgy gondolja, hogy ennek a technológiának sokkal több alkalmazása lehet, mint a kvantumhálózat. Alapvető képessége az atomok és fotonok erős összefonódása – ez alapvető és nehéz feladat számos különböző kvantumtechnológiában az egész területen. „Az egyik dolog, ami miatt igazán izgatottak vagyunk, az az, hogy ez a platform képes igazán hatékony összefonódást generálni” – mondta. „Az összefonódás központi szerepet játszik szinte minden kvantumban, amivel foglalkozunk, a számítástechnikától a szimulációkon át a metrológiáig és az atomórákig. Izgatottan várom, mit tehetünk még.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62669.php