Лазерный мир

Инженеры Калифорнийского технологического института совершили значительный прорыв в области квантовой коммуникации, успешно соединив два квантовых узла с несколькими кубитами. Для достижения этого результата исследователи разработали новый метод более эффективного распределения квантовой информации. Их подход, названный мультиплексированием запутанности, позволяет нескольким каналам передавать данные одновременно. Это стало возможным благодаря внедрению атомов иттербия внутрь кристаллов и их соединению с оптическими полостями – крошечными структурами, которые захватывают и направляют свет.

«Это первая в истории демонстрация мультиплексирования запутанности в квантовой сети отдельных спиновых кубитов,» — говорит Андрей Фараон, профессор прикладной физики и электротехники в Калтехе. Данный метод значительно повышает скорость квантовой коммуникации между узлами, что представляет собой важный скачок в этой области. Работа описана в статье, опубликованной 26 февраля в журнале Nature. Ведущими авторами статьи являются Андрей Рускуц, ныне постдокторант в Гарвардском университете, и Чунь-Цзю Ву, аспирант Калтеха.

Подобно тому, как интернет соединяет классические компьютеры, которыми мы привыкли пользоваться сегодня, квантовые сети будущего соединят квантовые компьютеры, находящиеся в разных физических местах. При работе с квантовым миром исследователи имеют дело с миниатюрными масштабами отдельных атомов и фотонов, базовых частиц света. В этом масштабе материя не подчиняется классической физике; вместо этого в игру вступает квантовая механика.

Одним из наиболее важных и странных концепций в квантовой механике является запутанность, при которой два или более объекта, такие как атомы или фотоны, неразрывно связаны независимо от их физического разделения. Эта связь настолько фундаментальна, что одна частица не может быть полностью описана без ссылки на другую. В результате измерение квантового состояния одной также предоставляет информацию о другой, что является ключом к квантовой коммуникации.

В квантовой коммуникации цель состоит в том, чтобы использовать запутанные атомы в качестве кубитов для обмена или телепортации квантовой информации. Ключевой проблемой, которая до сих пор ограничивала скорость связи, является время, необходимое для подготовки кубитов и передачи фотонов. «Мультиплексирование запутанности преодолевает это узкое место, используя несколько кубитов на процессор или узел. Путем одновременной подготовки кубитов и передачи фотонов скорость запутанности может быть увеличена пропорционально количеству кубитов,» — объясняет Рускуц.

В новой системе два узла представляют собой наноструктуры, изготовленные из кристаллов иттрий-ортованадата. Лазеры используются для возбуждения атомов иттербия, редкоземельного металла, внутри этих кристаллов, заставляя каждый атом испускать фотон, который остается запутанным с ним. Затем фотоны от атомов в двух отдельных узлах перемещаются в центральное место, где они обнаруживаются. Этот процесс обнаружения запускает протокол квантовой обработки, который приводит к созданию запутанных состояний между парами атомов иттербия.

Каждый узел имеет множество атомов иттербия внутри кристалла, поэтому имеется достаточно доступных кубитов. Однако каждый из этих атомов имеет немного разную оптическую частоту, вызванную несовершенствами внутри кристалла.

«Это как палка о двух концах,» — говорит Рускуц. С одной стороны, различные частоты позволяют исследователям точно настраивать свои лазеры для нацеливания на конкретные атомы. С другой стороны, ученые ранее полагали, что соответствующие различия в частотах фотонов сделают невозможным генерирование запутанных состояний кубитов.

Платформа команды может вместить множество кубитов — в этой работе каждый узел содержал примерно 20. «Но, возможно, увеличить это число по крайней мере на порядок,» — говорит соавтор Ву. «Уникальные свойства редкоземельных ионов в сочетании с нашим продемонстрированным протоколом открывают путь для сетей с сотнями кубитов на узел. Мы считаем, что эта работа закладывает прочную основу для высокопроизводительных систем квантовой связи на основе редкоземельных ионов,» — подчеркивает Фараон.

Источник: https://miranews.ru/5301-inzhenery-nashli-sposob-uvelichit-jeffektivnost-kvantovoj-kommunikacii.html