Naukowcy znaleźli nowy sposób łączenia urządzeń kwantowych na duże odległości, co stanowi niezbędny krok w kierunku umożliwienia tej technologii odegrania roli w przyszłych systemach komunikacyjnych.
Podczas gdy współczesne klasyczne sygnały danych można wzmocnić w całym mieście lub oceanie, sygnały kwantowe nie. Muszą być powtarzane w określonych odstępach czasu – to znaczy zatrzymywane, kopiowane i przekazywane dalej przez wyspecjalizowane maszyny zwane wzmacniaczami kwantowymi. Wielu ekspertów uważa, że te wzmacniacze kwantowe odegrają kluczową rolę w przyszłych sieciach komunikacyjnych, umożliwiając zwiększenie bezpieczeństwa i umożliwienie połączeń między zdalnymi komputerami kwantowymi.
Badanie Princeton, opublikowane 30 sierpnia w czasopiśmie Nature, szczegółowo opisuje podstawy nowego podejścia do budowy wzmacniaczy kwantowych. Wysyła światło gotowe do zastosowania w telekomunikacji, emitowane przez pojedynczy jon wszczepiony w kryształ. Według Jeffa Thompsona, głównego autora badania, prace nad tym trwały wiele lat. W pracach połączono postęp w projektowaniu fotonicznym i materiałoznawstwie.
Inne wiodące konstrukcje wzmacniaczy kwantowych emitują światło w widmie widzialnym, które szybko ulega degradacji w przypadku światłowodu i musi zostać przetworzone przed podróżą na duże odległości. Nowe urządzenie opiera się na pojedynczym jonzie pierwiastka ziem rzadkich wszczepionym w kryształ macierzysty. A ponieważ jon ten emituje światło o idealnej długości fali podczerwieni, nie wymaga takiej konwersji sygnału, co może prowadzić do prostszych i solidniejszych sieci.
Urządzenie składa się z dwóch części: kryształu wolframianu wapnia domieszkowanego zaledwie garstką jonów erbu oraz nanoskopowego kawałka krzemu wytrawionego w kanale w kształcie litery J. Jon, pulsowany specjalnym laserem, emituje światło przez kryształ. Jednak kawałek krzemu, czyli szept półprzewodnika naklejony na wierzch kryształu, wychwytuje i kieruje pojedyncze fotony do kabla światłowodowego.
W idealnym przypadku foton byłby zakodowany z informacją pochodzącą z jonu, powiedział Thompson. A dokładniej, z kwantowej właściwości jonu zwanej spinem. W wzmacniaczu kwantowym zbieranie i zakłócanie sygnałów z odległych węzłów spowodowałoby splątanie między ich spinami, umożliwiając kompleksową transmisję stanów kwantowych pomimo strat po drodze.
Zespół Thompsona zaczął pracować z jonami erbu kilka lat wcześniej, ale w pierwszych wersjach wykorzystywano różne kryształy, które generowały zbyt duży szum. W szczególności szum ten powodował losowe przeskakiwanie częstotliwości emitowanych fotonów w procesie znanym jako dyfuzja widmowa. Zapobiegło to delikatnym zakłóceniom kwantowym niezbędnym do działania sieci kwantowych. Aby rozwiązać ten problem, jego laboratorium nawiązało współpracę z Nathalie de Leon, profesor nadzwyczajną inżynierii elektrycznej i komputerowej, oraz Robertem Cavą, wiodącym naukowcem zajmującym się materiałami w stanie stałym i profesorem chemii Russellem Wellmanem Moore’em z Princeton, w celu zbadania nowych materiałów, które mogłyby pomieścić pojedyncze jony erbu przy znacznie mniejszym hałasie.
Przeszukali listę kandydatów z setek tysięcy do kilkuset, potem kilkudziesięciu, a potem trzech. Testowanie każdego z trzech finalistów zajęło pół roku. Pierwszy materiał okazał się nie do końca jasny. Drugi spowodował, że erb miał słabe właściwości kwantowe. Ale trzeci, wolframian wapnia, był w sam raz.
Aby wykazać, że nowy materiał nadaje się do sieci kwantowych, naukowcy zbudowali interferometr, w którym fotony losowo przechodzą jedną z dwóch ścieżek: krótką ścieżką o długości kilku stóp lub długą ścieżką o długości 32 mil (wykonaną ze szpuli błonnik). Fotony emitowane z jonu mogą podróżować po długiej lub krótkiej ścieżce, a w mniej więcej połowie przypadków kolejne fotony idą przeciwnymi drogami i docierają do wyjścia w tym samym czasie.
Kiedy dochodzi do takiej kolizji, interferencja kwantowa powoduje, że fotony opuszczają wyjście parami wtedy i tylko wtedy, gdy są zasadniczo nie do odróżnienia – mają ten sam kształt i częstotliwość. W przeciwnym razie opuszczają interferometr indywidualnie. Obserwując silne tłumienie – aż do 80 procent – poszczególnych fotonów na wyjściu interferometru, zespół niezbicie udowodnił, że jony erbu w nowym materiale emitują nierozróżnialne fotony. Zdaniem Salima Ourariego, absolwenta, który współprowadził badania, oznacza to, że sygnał znacznie przekracza próg hi-fi.
Chociaż prace te przekraczają ważny próg, wymagane są dodatkowe prace, aby skrócić czas przechowywania stanów kwantowych w spinie jonu erbu. Zespół pracuje obecnie nad wytworzeniem bardziej rafinowanego wolframianu wapnia, zawierającego mniej zanieczyszczeń zakłócających kwantowe stany spinowe.