Предложени са две алтернативни системи за „идеални“ източници на фотони за квантови мрежи
Две независими групи изследователи обявиха значителен напредък в създаването на квантови мрежи: те са успели да създадат източници на единични фотони, чиито свойства са “идеални” за предаване на данни. Но какво представляват квантовите мрежи, какви материали инженерите предлагат да използват и какви са техните предимства?
Ефектите на квантовата механика, включително квантовото заплитане на две частици (явление, при което отделните състояния на два разпределени атома или частици са във взаимозависимо състояние), разкриват много технологични възможности. Една от тях е създаването на квантови комуникационни мрежи (и дори квантов интернет), които ще осигуряват защита на предаваните данни от изтичане и компрометиране, и обмен на информация между квантовите системи. Такава квантова мрежа може да бъде реализирана, „заплитайки“ един с друг отделни носители на квантова информация, кюбити, с помощта на светлина.
Две независими групи изследователи обявиха създаването на източници на единични фотони, които са необходими за предаване на данни в квантова мрежа. Германски изследователи от Института за квантова оптика към Обществото Макс Планк и Техническия университет в Мюнхен са използвали атоми на ербий, вградени в силициев кристал, които излъчват светлина с честота, която съответства на днешните комуникационни мрежи.
А инженерите от Масачузетския технологичен институт ( MIT) са използвали перовскитни нанокристали, производството на които лесно се мащабира. При това те не изискват екстремно охлаждане и могат да работят при стайна температура.
Какво представлява квантовата мрежа?
Квантовите компютри теоретично могат да изпълняват задачи, които дори и най-мощните в момента суперкомпютри не могат да решат. Те могат да се използват за моделиране на свойствата на материали и сложни системи. Но за да постигнем наистина значими резултати, се нуждаем от ефективен начин за свързване на възлите на квантова информация, тоест разпределени квантови процесори.
Тъй като квантовите компютри са фундаментално различни от класическите, обичайните методи, използвани за пренос на информация, не могат да се използват директно в тях. Квантовата информация сама по себе си е по-сложна: вместо да съхранява само стойност 0 или 1, както в класическите компютри, кюбитът може да приеме стойностите 0 и 1 едновременно (феномен, известен като суперпозиция).
По тази причина идеалното решение е изграждането на квантова мрежа, тоест връзки, при които се осъществява директен обмен на кюбити информация със запазване на квантово-механичните свойства. Квантовата мрежа свързва обработващите възли с помощта на фотони, които преминават през специални връзки, известни като вълноводи.
Предимството на тези връзки е, че квантовите устройства комуникират директно, което позволява по-бърза обработка на данните. В допълнение, подобни мрежи могат да се използват за сигурно предаване на данни: веднага щом някой се опита да прихване информацията, “кодирана” във фотоните, квантовите свойства на частиците биват загубени и данните стават неизползваеми.
Ербиеви атоми в силициев кристал
Германските инженери са разработили оптичен резонатор за квантови мрежи, базиран на силициев кристал, легиран с ербиеви атоми. Тази тяхна разработка се явява продължение на предишни изследвания на същия екип за включване на отделни редкоземни атоми в кристален силиций, използвайки сравнително ниска температура (около 500°C), за да се гарантира, че голям брой ербиеви атоми няма да се групират заедно в кристалната силициева решетка.
В новото изследване, резултатите от което са публикувани в списание Optica, изследователите са установили, че единични фотони с желани свойства могат да бъдат генерирани с помощта на такива кристали. Ербиевите атоми, поставени в силициев кристал, имат отлични оптични свойства, отбелязват авторите на изследването. Те излъчват светлина с дължина на вълната 1536 nm. Това е почти идентично със светлината, която се използва за предаване на данни в класическите оптични мрежи.
Инженерите са разработили резонатор с добавка на ербий, който се различава от конвенционалните конструкции по това, че няма огледала. Вместо това се използва нормална структура от дупки с нанометрови размери в кристален силиций. Това означава, че целият резонатор е дълъг само няколко микрона и съдържа само няколко десетки ербиеви атоми. При свързване на резонатора с оптично влакно и възбуждане на атомите с лазер, изследователите са демонстрирали, че могат да бъдат излъчвани отделни фотони с желаните характеристики.
Изследователите отбелязват две основни предимства, които според тях правят легирания с ербий силиций „идеален кандидат за изграждане на квантови мрежи“. Първо, той се базира на класически материал, който се използва широко в производството на полупроводници, което означава, че за масовото производство на необходимите компоненти няма да се изисква създаването на нови сложни технологии.
И второ, системата работи при относително висока (за квантовите технологии) температура – около 8 К (-265 °C) и за разлика от системите, работещи близо до абсолютната нула. Такива условия се създават по-лесно чрез охлаждане в криостат с течен хелий.
Перовскитите като източници на единични фотони
Изследователи от MIT предлагат алтернативен материал за създаване на квантови мрежи – перовскит. Този материал вече се е утвърдил широко като потенциална алтернатива на силиция във фотоволтаичните клетки. В изследване, резултатите от което са публикувани в списанието Nature Photonics, учените са установили, че могат да генерират поток от идентични фотони.
За изследването си физиците са използвали наночастици от оловно-халитен перовскит. За фотоволтаичните клетки се използват тънки филми от този материал и те под формата на наночастици имат невероятно висока скорост на криогенно излъчване, което ги отличава от другите колоидни полупроводникови наночастици. Колкото по-бързо се излъчва светлина, толкова по-вероятно е изходният сигнал да има добре дефинирана вълнова функция, което е от съществено значение за квантовите мрежи.
За да проверят дали генерираните от тях фотони наистина имат правилните свойства, изследователите са провели стандартен тест. Той се състои в откриване на специален вид интерференция между два фотона, така наречения ефект на Хонг-Оу-Мандел . Резултатите от експеримента са потвърдили, че източникът излъчва квантова светлина.
Изследователите отбелязват, че въпреки че инсталацията не е перфектна и работи със смущения, те са уверени, че това може да бъде преодоляно чрез поставяне на перовскити в оптичен резонатор – ефект, който работи с други материали.
В същото време изследователите отбелязват предимството на тази технология в лесното производство.
„Причината другите източници да са кохерентни е, че са направени от възможно най-чистите материали и атом след атом. Така че при тях имаме много лоша мащабируемост и много слаба възпроизводимост“, казва Александър Каплан, съавтор на изследването.
За разлика от тях, перовскитните наночастици се правят в разтвор и просто се нанасят върху материала на подложката. Освен това такива източници работят при стайна температура и не изискват охлаждане.
Трябва да се отбележи, че двете предложени технологии все още не са готово решение за изграждане на квантови мрежи. Но това е стъпка в правилната посока. Фактът, че различни групи изследователи по света разработват алтернативни технологии и се опитват да намерят решение, което е сравнително евтино и лесно за мащабиране, предполага, че квантовите мрежи може скоро да станат реалност.