Оптическая полость станет базовыми элементом квантовой сети
Квантовые сети, позволяющие многим квантовым компьютерам работать вместе и обмениваться данными, защищенными невзламываемой квантовой криптографией, для своего функционирования нуждаются в способе пересылки информации без изменения ее квантовых свойств.
Наиболее перспективная сегодняшняя технология заключается в возбуждениии квантового бита (одиночного атома или иона) импульсом света, в результате чего он испускает фотон, спин которого перепутан со спином самого атома. Этот фотон может переносить перепутанную с кубитом информацию на большие расстояния по оптоволоконному кабелю.
Преодолеть главную технологическую трудность на пути создания "квантового Интернета" - создать кубит, чувствительный к свету, но устойчивый к воздействию других помех, смогли инженеры из Калифорнийского технологического института. О своем достижении они рассказали 30 марта в статье, вышедшей в престижном научном журнале Nature.
"Твердотельные излучатели, которые хорошо взаимодействуют со светом, часто становятся жертвами декогеренции; то есть хранимая в них информация становится бесполезной для квантовых технологий, - говорит Джон Киндем (Jon Kindem), ведущий автор статьи. - Между тем, атомы редкоземельных элементов, свойства которых делают их полезными для работы в качестве кубитов, как правило плохо взаимодействовуют со светом".
Команда из Калтеха под руководством профессора электротехники и прикладной физики Андя Фараона (Andrei Faraon) сконструировала нанофотонную полость в виде вырезанного из кристалла бруска длиной около 10 нм, по центру которого находился ион редкоземельного элемента иттербия. Попавший в такую оптическую полость свет многократно переотражался, пока не происходило его поглощение ионом.
Авторы показали, что испускаемый ионом фотон более чем в 99% случаев оставался в полости, где ученые могли его обнаруживать и через него считывать квантовое состояние иона. Это увеличивает частоту, с которой ион может испускать фотоны, и улучшает общую эффективность системы. Кроме того, ионы иттербия могут хранить информацию в своем спине до 30 миллисекунд - за это время свет способен перенести перепутанные квантовые данные с одного побережья США на другое.
"Это закрывает большинство вопросов. Данный редкоземельный ион, поглощает и испускает фотоны именно так, как нам нужно для создания квантовой сети, - говорит Фараон, профессор прикладной физики и электротехники. - Это может стать основополагающей технологией квантового Интернета".
Следующей задачей исследователей из Калтеха станет реальное соединение по сети двух кубитов.
