Новый эксперимент переводит квантовую информацию между технологиями, что является важным шагом для квантового интернета.
Исследователи открыли способ «перевода» квантовой информации между различными видами квантовых технологий, что имеет серьезные последствия для квантовых вычислений, связи и сетей.
Исследование было опубликовано в журнале Nature в среду. Он представляет собой новый способ преобразования квантовой информации из формата, используемого квантовыми компьютерами, в формат, необходимый для квантовой связи.
Фотоны — частицы света — необходимы для квантовых информационных технологий , но разные технологии используют их на разных частотах. Например, некоторые из наиболее распространенных технологий квантовых вычислений основаны на сверхпроводящих кубитах , таких как те, которые используются технологическими гигантами Google и IBM; эти кубиты хранят квантовую информацию в фотонах , движущихся на микроволновых частотах.
Но если вы хотите построить квантовую сеть или соединить квантовые компьютеры, вы не можете посылать микроволновые фотоны, потому что их хватка над своей квантовой информацией слишком слаба, чтобы выжить в путешествии.
«Многие технологии, которые мы используем для классической связи — сотовые телефоны, Wi-Fi, GPS и тому подобное — используют микроволновые частоты света», — говорит Айшвария Кумар, постдоктор Института Джеймса Франка при Чикагском университете. ведущий автор статьи. «Но вы не можете сделать это для квантовой связи, потому что квантовая информация, которая вам нужна, содержится в одном фотоне . А на микроволновых частотах эта информация будет скрыта тепловым шумом».
Решение состоит в том, чтобы передать квантовую информацию фотону более высокой частоты, называемому оптическим фотоном, который гораздо более устойчив к окружающему шуму. Но информация не может передаваться напрямую от фотона к фотону; вместо этого нам нужна промежуточная материя. В некоторых экспериментах для этой цели разрабатываются твердотельные устройства, но эксперимент Кумара был направлен на нечто более фундаментальное: атомы.
Электронам в атомах разрешено иметь только определенное определенное количество энергии, называемое энергетическими уровнями. Если электрон находится на более низком энергетическом уровне, его можно возбудить до более высокого энергетического уровня, ударив по нему фотоном, энергия которого точно соответствует разнице между более высоким и более низким уровнем. Точно так же, когда электрон вынужден перейти на более низкий энергетический уровень, атом испускает фотон с энергией, которая соответствует разнице энергий между уровнями.
Атомы рубидия имеют две щели на своих уровнях, которые использует технология Кумара: одна точно равна энергии микроволнового фотона, а другая точно равна энергии оптического фотона. Используя лазеры для смещения энергии электронов атома вверх и вниз, технология позволяет атому поглощать микроволновый фотон с квантовой информацией, а затем излучать оптический фотон с этой квантовой информацией. Этот перевод между различными режимами квантовой информации называется «преобразованием».
Эффективное использование атомов для этой цели стало возможным благодаря значительному прогрессу ученых в манипулировании такими маленькими объектами. «За последние 20 или 30 лет мы, как сообщество, создали замечательную технологию, которая позволяет нам контролировать практически все, что касается атомов», — сказал Кумар. «Так что эксперимент очень контролируемый и эффективный».
Он говорит, что другим секретом их успеха является прогресс в области квантовой электродинамики резонаторов , где фотон захватывается в сверхпроводящую отражающую камеру. Заставляя фотон прыгать в замкнутом пространстве, сверхпроводящая полость усиливает взаимодействие между фотоном и любой материей, находящейся внутри него.
Их камера не выглядит очень закрытой — на самом деле она больше напоминает кусок швейцарского сыра. Но то, что выглядит как дыры, на самом деле является туннелями, которые пересекаются в очень специфической геометрии, так что фотоны или атомы могут быть захвачены на пересечении. Это умная конструкция, которая также позволяет исследователям получить доступ к камере, чтобы они могли вводить атомы и фотоны.
Технология работает в обоих направлениях: она может передавать квантовую информацию от микроволновых фотонов к оптическим фотонам и наоборот. Таким образом, он может находиться по обе стороны от дальней связи между двумя квантовыми компьютерами со сверхпроводящими кубитами и служить фундаментальным строительным блоком для квантового интернета.
Но Кумар считает, что у этой технологии может быть гораздо больше применений, чем просто квантовая сеть. Его основная способность состоит в том, чтобы сильно запутывать атомы и фотоны — важная и сложная задача во многих различных квантовых технологиях в этой области.
«Одна из вещей, которая нас очень порадовала, — это способность этой платформы генерировать действительно эффективную запутанность», — сказал он. «Запутанность занимает центральное место почти во всем, что нас волнует, — от вычислений до моделирования, метрологии и атомных часов. Я с нетерпением жду возможности увидеть, что еще мы можем сделать».
