新しい実験は、量子インターネットの重要なステップでテクノロジー間で量子情報を変換します

24年2023月XNUMX日 (Nanowerkニュース) 研究者は、異なる種類の量子技術間で量子情報を「変換」する方法を発見しました。これは、量子コンピューティング、通信、およびネットワーキングに重要な意味を持ちます。 ジャーナルに掲載された研究 自然 (「中性原子を用いた量子ミリ波から光への変換」）。 これは、量子情報を量子コンピューターで使用される形式から量子通信に必要な形式に変換する新しい方法を表しています。 ニオブ超伝導空洞。 穴は、光と原子を閉じ込めるために交差するトンネルにつながります。 (画像: Aishwarya Kumar) 光子 (光の粒子) は量子情報技術に不可欠ですが、異なる技術は異なる周波数でそれらを使用します。 たとえば、最も一般的な量子コンピューティング テクノロジの一部は、テクノロジーの巨人である Google や IBM が使用するものなど、超伝導キュービットに基づいています。 これらの量子ビットは、マイクロ波周波数で移動する光子に量子情報を保存します。 しかし、量子ネットワークを構築したり、量子コンピューターを接続したりしたい場合は、マイクロ波光子を送信することはできません。マイクロ波光子は、量子情報をつかむ力が弱すぎて、旅行に耐えられないからです。 シカゴ大学ジェームズ・フランク研究所のポスドクである Aishwarya Kumar は、次のように述べています。論文の筆頭著者。 「しかし、必要な量子情報は単一の光子にあるため、量子通信ではそれができません。 マイクロ波周波数では、その情報は熱雑音に埋もれてしまいます。」 解決策は、量子情報を光光子と呼ばれるより高い周波数の光子に転送することです。これは、周囲のノイズに対してはるかに回復力があります。 しかし、情報を光子から光子に直接転送することはできません。 代わりに、仲介物が必要です。 一部の実験では、この目的のために固体デバイスを設計していますが、クマールの実験は、より基本的なもの、つまり原子を対象としていました。 原子内の電子は、エネルギー準位と呼ばれる特定の量のエネルギーしか持つことができません。 電子がより低いエネルギー準位にある場合、より高いエネルギー準位とより低い準位の差に正確に一致するエネルギーを持つ光子を電子に衝突させることにより、より高いエネルギー準位に励起することができます。 同様に、電子がより低いエネルギー準位に強制的に落とされると、原子は準位間のエネルギー差に一致するエネルギーを持つ光子を放出します。 ルビジウムの電子エネルギー準位の図。 エネルギー レベル ギャップの 20 つは、それぞれ光学光子とマイクロ波光子の周波数と一致します。 レーザーは、電子をより高いレベルにジャンプさせたり、より低いレベルに落としたりするために使用されます。 (画像: Aishwarya Kumar) ルビジウム原子は、Kumar の技術が利用する準位にたまたま 30 つのギャップを持っています。 レーザーを使用して原子の電子エネルギーを上下にシフトすることにより、この技術では、原子が量子情報を含むマイクロ波光子を吸収し、その量子情報を含む光子を放出できます。 量子情報の異なるモード間のこの変換は、「変換」と呼ばれます。 この目的のために原子を効果的に使用することは、科学者がそのような小さな物体を操作する際に達成した大きな進歩によって可能になりました。 「私たちは共同体として、過去 XNUMX 年から XNUMX 年の間に、原子に関する本質的なすべてを制御できる驚くべき技術を構築してきました」と Kumar 氏は述べています。 「そのため、実験は非常に制御され、効率的です。」 彼によると、彼らの成功のもう XNUMX つの秘密は、光子が超伝導の反射チャンバーに閉じ込められるキャビティ量子電気力学におけるこの分野の進歩です。 超伝導キャビティは、光子を密閉空間内で跳ね返らせることで、光子とその内部にある物質との間の相互作用を強化します。 彼らの部屋はあまり密閉されていないように見えます。実際、スイスチーズのブロックによく似ています。 しかし、穴のように見えるものは、実際には非常に特殊な形状で交差するトンネルであるため、光子や原子が交差部分に閉じ込められる可能性があります。 これは、研究者が原子と光子を注入できるようにチャンバーにアクセスできるようにする巧妙な設計です。 この技術は、マイクロ波光子から光子へ、またその逆に量子情報を転送できます。 そのため、XNUMX つの超伝導量子ビット量子コンピューター間の長距離接続の両側に配置でき、量子インターネットの基本的なビルディング ブロックとして機能します。 しかしクマールは、この技術には量子ネットワーキングだけでなく、もっと多くのアプリケーションがあるかもしれないと考えています。 その核となる能力は、原子と光子を強力に絡ませることです。これは、この分野のさまざまな量子技術において不可欠であり、困難なタスクです。 「私たちが本当に興奮していることの XNUMX つは、このプラットフォームが非常に効率的なエンタングルメントを生成できることです」と彼は言いました。 「エンタングルメントは、コンピューティングからシミュレーション、計測学、原子時計まで、私たちが関心を持っているほとんどすべての量子の中心です。 他に何ができるか楽しみです。」

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62669.php