Новий експеримент перетворює квантову інформацію між технологіями, що є важливим кроком для квантового Інтернету

24 березня 2023 (Новини Nanowerk) Дослідники знайшли спосіб «перекладати» квантову інформацію між різними видами квантових технологій, що має значні наслідки для квантових обчислень, зв’язку та мереж. Дослідження, опубліковане в журн природа («Перетворення міліметрової хвилі в оптичну трансдукцію за допомогою квантової технології з використанням нейтральних атомів»). Він представляє новий спосіб перетворення квантової інформації з формату, який використовують квантові комп’ютери, у формат, необхідний для квантового зв’язку. Ніобієва надпровідна порожнина. Отвори ведуть до тунелів, які перетинаються, щоб затримувати світло й атоми. (Зображення: Айшварія Кумар) Фотони — частинки світла — важливі для квантових інформаційних технологій, але різні технології використовують їх на різних частотах. Наприклад, деякі з найпоширеніших квантових обчислювальних технологій базуються на надпровідних кубітах, таких як ті, що використовуються технологічними гігантами Google і IBM; ці кубіти зберігають квантову інформацію у фотонах, які рухаються на мікрохвильових частотах. Але якщо ви хочете побудувати квантову мережу або підключити квантові комп’ютери, ви не можете посилати мікрохвильові фотони, тому що вони надто слабкі, щоб витримати цю подорож. «Багато технологій, які ми використовуємо для класичного зв’язку — стільникові телефони, Wi-Fi, GPS тощо — використовують мікрохвильові частоти світла», — сказала Айшварія Кумар, постдоктор Інституту Джеймса Франка Чиказького університету та провідний автор статті. «Але ви не можете зробити це для квантової комунікації, оскільки квантова інформація, яка вам потрібна, міститься в одному фотоні. А на мікрохвильових частотах ця інформація буде похована в тепловому шумі». Рішення полягає в тому, щоб передати квантову інформацію високочастотному фотону, який називається оптичним фотоном, який є набагато більш стійким до навколишнього шуму. Але інформація не може передаватися безпосередньо від фотона до фотона; натомість нам потрібен посередник. Деякі експерименти розробляють твердотільні пристрої для цієї мети, але експеримент Кумара мав на меті щось більш фундаментальне: атоми. Електрони в атомах можуть мати лише певну конкретну кількість енергії, яку називають рівнями енергії. Якщо електрон знаходиться на нижчому енергетичному рівні, його можна підняти на вищий енергетичний рівень, вдаривши по ньому фотон, енергія якого точно відповідає різниці між вищим і нижчим рівнями. Подібним чином, коли електрон змушений опуститися на нижчий енергетичний рівень, атом випромінює фотон з енергією, яка відповідає різниці енергій між рівнями. Діаграма енергетичних рівнів електронів Рубідію. Два розриви рівнів енергії відповідають частотам оптичних фотонів і мікрохвильових фотонів відповідно. Лазери використовуються, щоб змусити електрон стрибнути на вищі рівні або опуститися на нижчі рівні. (Зображення: Айшварія Кумар) Атоми рубідію мають дві прогалини у своїх рівнях, які використовує технологія Кумара: одна, яка точно дорівнює енергії мікрохвильового фотона, і інша, яка точно дорівнює енергії оптичного фотона. Використовуючи лазери для зміщення енергії електронів атома вгору та вниз, технологія дозволяє атому поглинати мікрохвильовий фотон із квантовою інформацією, а потім випромінювати оптичний фотон із цією квантовою інформацією. Цей перехід між різними видами квантової інформації називається «трансдукцією». Ефективне використання атомів для цієї мети стало можливим завдяки значному прогресу, досягнутому вченими в маніпулюванні такими маленькими об’єктами. «За останні 20-30 років ми, як спільнота, створили чудову технологію, яка дозволяє нам контролювати практично все, що стосується атомів», — сказав Кумар. «Отже, експеримент дуже контрольований і ефективний». Він каже, що іншим секретом їхнього успіху є прогрес у квантовій електродинаміці порожнини, де фотон затримується в надпровідній камері, що відбиває. Змушуючи фотон підстрибувати в замкнутому просторі, надпровідна порожнина посилює взаємодію між фотоном і будь-якою речовиною, яка знаходиться всередині нього. Їхня камера виглядає не дуже закритою — насправді вона більше нагадує шматок швейцарського сиру. Але те, що виглядає як діри, насправді є тунелями, які перетинаються в дуже специфічній геометрії, так що фотони або атоми можуть бути захоплені в перетині. Це розумна конструкція, яка також дозволяє дослідникам отримати доступ до камери, щоб вони могли вводити атоми та фотони. Технологія працює в обох напрямках: вона може передавати квантову інформацію від мікрохвильових фотонів до оптичних фотонів і навпаки. Таким чином, він може бути по обидва боки міжміського з’єднання між двома надпровідними кубітними квантовими комп’ютерами та служити фундаментальним будівельним блоком для квантового Інтернету. Але Кумар вважає, що для цієї технології може бути набагато більше застосувань, ніж просто квантові мережі. Його основна здатність полягає в тому, щоб сильно сплутувати атоми та фотони, що є важливим і складним завданням у багатьох різних квантових технологіях у цій галузі. «Одна з речей, якими ми справді раді, — це здатність цієї платформи генерувати дійсно ефективне заплутування», — сказав він. «Заплутаність є центральною для майже всього квантового, що нас цікавить, від обчислень до моделювання до метрології та атомних годинників. Я радий побачити, що ще ми можемо зробити».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62669.php