Nov eksperiment prevaja kvantne informacije med tehnologijami v pomembnem koraku za kvantni internet

24. marec 2023 (Nanowerk novice) Raziskovalci so odkrili način za "prevajanje" kvantnih informacij med različnimi vrstami kvantnih tehnologij, kar ima pomembne posledice za kvantno računalništvo, komunikacijo in mreženje. Raziskava, objavljena v reviji Narava (»Kvantno omogočena milimetrska valovna pretvorba v optično transdukcijo z uporabo nevtralnih atomov«). Predstavlja nov način za pretvorbo kvantnih informacij iz formata, ki ga uporabljajo kvantni računalniki, v format, potreben za kvantno komunikacijo. Niobijeva superprevodna votlina. Luknje vodijo do tunelov, ki se sekajo, da ujamejo svetlobo in atome. (Slika: Aishwarya Kumar) Fotoni – delci svetlobe – so bistveni za kvantne informacijske tehnologije, vendar jih različne tehnologije uporabljajo pri različnih frekvencah. Na primer, nekatere najpogostejše kvantne računalniške tehnologije temeljijo na superprevodnih kubitih, kot so tisti, ki jih uporabljata tehnološka velikana Google in IBM; ti kubiti shranjujejo kvantne informacije v fotone, ki se gibljejo pri mikrovalovnih frekvencah. Toda če želite zgraditi kvantno omrežje ali povezati kvantne računalnike, ne morete pošiljati mikrovalovnih fotonov, ker je njihov oprijem njihovih kvantnih informacij prešibek, da bi preživeli potovanje. "Veliko tehnologij, ki jih uporabljamo za klasično komunikacijo - mobilni telefoni, Wi-Fi, GPS in podobne stvari - vse uporabljajo mikrovalovne frekvence svetlobe," je povedala Aishwarya Kumar, postdoc na Inštitutu James Franck na Univerzi v Chicagu in glavni avtor prispevka. »Toda tega ne morete storiti za kvantno komunikacijo, ker je kvantna informacija, ki jo potrebujete, v enem samem fotonu. In pri mikrovalovnih frekvencah se bodo te informacije zakopale v toplotni šum." Rešitev je v prenosu kvantne informacije na visokofrekvenčni foton, imenovan optični foton, ki je veliko bolj odporen proti hrupu iz okolja. Vendar informacij ni mogoče prenesti neposredno od fotona do fotona; namesto tega potrebujemo vmesno snov. Nekateri poskusi načrtujejo polprevodniške naprave za ta namen, toda Kumarjev eksperiment je bil namenjen nečem bolj temeljnemu: atomom. Elektroni v atomih lahko imajo samo določene količine energije, imenovane energijske ravni. Če je elektron na nižji energijski ravni, ga je mogoče vzbuditi na višjo energijsko raven tako, da ga zadene foton, katerega energija se natančno ujema z razliko med višjo in nižjo stopnjo. Podobno, ko je elektron prisiljen pasti na nižjo energijsko raven, atom nato odda foton z energijo, ki se ujema z energijsko razliko med nivoji. Diagram energetskih ravni elektronov rubidija. Dve vrzeli energijskih ravni se ujemata s frekvencama optičnih fotonov oziroma mikrovalovnih fotonov. Laserji se uporabljajo za prisilitev elektrona, da skoči na višje ravni ali pade na nižje ravni. (Slika: Aishwarya Kumar) Atomi rubidija imajo dve vrzeli v svojih ravneh, ki jih Kumarjeva tehnologija izkorišča: eno, ki je popolnoma enaka energiji mikrovalovnega fotona, in eno, ki je popolnoma enaka energiji optičnega fotona. Z uporabo laserjev za premikanje atomskih elektronskih energij navzgor in navzdol tehnologija omogoča atomu, da absorbira mikrovalovni foton s kvantno informacijo in nato odda optični foton s to kvantno informacijo. Ta prevod med različnimi načini kvantne informacije se imenuje "transdukcija". Učinkovito uporabo atomov v ta namen omogoča pomemben napredek znanstvenikov pri manipuliranju s tako majhnimi predmeti. "Kot skupnost smo v zadnjih 20 ali 30 letih zgradili izjemno tehnologijo, ki nam omogoča, da nadzorujemo skoraj vse o atomih," je dejal Kumar. "Poskus je torej zelo nadzorovan in učinkovit." Pravi, da je druga skrivnost njihovega uspeha napredek področja v votlinski kvantni elektrodinamiki, kjer je foton ujet v superprevodni odbojni komori. Superprevodna votlina prisili foton, da se odbija v zaprtem prostoru, okrepi interakcijo med fotonom in kakršno koli snovjo, ki je v njej. Njihova komora ni videti zelo zaprta - pravzaprav je bolj podobna bloku švicarskega sira. Toda tisto, kar je videti kot luknje, so pravzaprav tuneli, ki se sekajo v zelo specifični geometriji, tako da se lahko fotoni ali atomi ujamejo na križišču. To je pameten dizajn, ki raziskovalcem omogoča tudi dostop do komore, da lahko vbrizgajo atome in fotone. Tehnologija deluje v obe smeri: lahko prenaša kvantne informacije iz mikrovalovnih fotonov v optične fotone in obratno. Tako je lahko na obeh straneh povezave na dolge razdalje med dvema superprevodnima kvantnima računalnikoma qubit in služi kot temeljni gradnik kvantnega interneta. Toda Kumar meni, da je za to tehnologijo morda veliko več aplikacij kot le kvantno mreženje. Njegova glavna sposobnost je, da močno zaplete atome in fotone – bistvena in težka naloga v številnih različnih kvantnih tehnologijah na tem področju. "Ena od stvari, nad katero smo resnično navdušeni, je sposobnost te platforme, da ustvari resnično učinkovito prepletanje," je dejal. »Prepletenost je osrednjega pomena za skoraj vse kvantne stvari, ki nas zanimajo, od računalništva do simulacij do meroslovja in atomskih ur. Navdušen sem, da vidim, kaj še lahko storimo.”

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62669.php