Блог

Jun 07, 2023

Квантовые компьютеры вскоре смогут соединяться на больших расстояниях

Бартломей Вроблевски/iStock Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время. Знаете ли вы, что квантовые передачи невозможно усилить над городом или океаном?

Бартломей Вроблевски/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Знаете ли вы, что квантовые передачи невозможно усилить над городом или океаном, как обычные сигналы передачи данных? Вместо этого их приходится периодически повторять с помощью специализированных устройств, называемых квантовыми повторителями.

Чтобы использовать эту технологию в будущих сетях связи, исследователи разработали новый метод соединения квантовых устройств на больших расстояниях.

Поскольку ретрансляторы могут сыграть решающую роль в соединении удаленных квантовых компьютеров и повышении безопасности сетей связи в будущем, группа исследователей из Принстона подробно описала новый подход к созданию квантовых ретрансляторов в своем исследовании, опубликованном в журнале Nature 30 августа.

Идея заключается в повторителях, которые передают свет, готовый к использованию в телекоммуникациях, благодаря одному иону, введенному в кристалл.

Видимый спектр, излучаемый некоторыми другими популярными системами квантовых ретрансляторов, быстро ухудшается в оптическом волокне, и его необходимо преобразовать перед отправкой на большие расстояния.

По словам Джеффа Томпсона, ведущего автора статьи, основой нового гаджета является один редкоземельный ион, имплантированный в кристалл-хозяин. Кроме того, поскольку этот ион излучает свет идеальной инфракрасной длины волны, ему не нужно преобразовывать сигналы, что может привести к созданию более простых и надежных сетей.

«Эта работа готовилась в течение многих лет. Работа объединила достижения в области фотонного дизайна и материаловедения», — сказал Томпсон в заявлении для прессы.

Конструкция устройства состоит из двух компонентов: наноскопического слоя кремния, вытравленного в J-образный канал, и кристалла вольфрамата кальция, легированного небольшим количеством ионов эрбия. Ион излучает свет через кристалл под воздействием уникального лазера.

Однако кремниевый компонент, крошечный полупроводниковый стержень, прикрепленный к кончику кристалла, улавливает и направляет отдельные фотоны в оптоволоконный кабель.

Команда объясняет, что в идеале информация от иона должна быть встроена в этот фотон. Или, если быть более точным, от спина иона, квантового атрибута. Запутывание между спинами удаленных узлов будет создаваться в квантовом повторителе путем сбора и взаимодействия с сигналами от этих узлов, что позволит осуществлять сквозную передачу квантовых состояний, несмотря на потери при передаче.

Команда начала свою работу с ионами эрбия несколько лет назад, но кристаллы, использованные в их более ранней версии, давали значительный шум. «Этот шум привел к случайному скачку частоты испускаемых фотонов в процессе, известном как спектральная диффузия».

Из сотен тысяч перспективных материалов они сократили список до нескольких сотен, затем дюжины, затем трех. Тестирование каждого из трёх финалистов заняло шесть месяцев. Для получения идеальных результатов команда остановилась на кристалле вольфрамата кальция.

Команда использовала интерферометр, который объединяет два или более источников света для создания интерференционной картины, чтобы доказать, что ионы эрбия в новом материале излучают неразличимые фотоны и это «подводит сигнал значительно выше порога Hi-Fi».

Хотя это исследование преодолело значительный порог, сейчас команда работает над продлением периода, в течение которого квантовые состояния могут сохраняться в спине иона эрбия. Сейчас группа стремится производить вольфрамат кальция, который будет более тщательно очищен и будет содержать меньше примесей, мешающих квантовым спиновым состояниям.

Полное исследование было опубликовано в журнале Nature 30 августа, и его можно найти здесь.

Абстрактный

Атомные дефекты в твердом состоянии являются ключевым компонентом квантовых ретрансляционных сетей для квантовой связи на большие расстояния1. В последнее время наблюдается значительный интерес к редкоземельным ионам, в частности к Er3+, из-за его оптического перехода в телекоммуникационном диапазоне, который обеспечивает передачу на большие расстояния по оптическим волокнам. Однако разработка узлов-ретрансляторов на основе редкоземельных ионов затруднена оптической спектральной диффузией, препятствующей неразличимой однофотонной генерации. Здесь мы имплантируем Er3+ в CaWO4, материал, который сочетает в себе неполярную симметрию узла, низкую декогеренцию ядерных спинов и не содержит фоновых редкоземельных ионов, чтобы реализовать значительно уменьшенную оптическую спектральную диффузию. Для мелких имплантированных ионов, связанных с нанофотонными полостями с большим фактором Парселла, мы наблюдаем ширину оптической линии однократного сканирования 150 кГц и долговременную спектральную диффузию 63 кГц, что близко к ширине радиационной линии, усиленной Парселлом, 21 кГц. Это позволяет наблюдать интерференцию Хонга-Оу-Манделя между последовательно излучаемыми фотонами с видимостью V = 80(4)%, измеренную после линии задержки длиной 36 км. Также наблюдаются времена спиновой релаксации T1,s = 3,7 с и T2,s > 200 мкс, причем последнее ограничивается не ядерными спинами, а парамагнитными примесями в кристалле. Это представляет собой заметный шаг на пути к созданию сетей квантовых ретрансляторов телекоммуникационного диапазона с одиночными ионами Er3+.