» » Физики связывают "квантовую память" на раннем этапе перехода к квантовому Интернету

Физики связывают "квантовую память" на раннем этапе перехода к квантовому Интернету

26


Перевод и редактирование: http:///

Когда в 1969 году предшественник сегодняшнего Интернета принес свое первое сообщение, неуклюжие, но функциональные классические компьютеры существовали уже несколько десятилетий . Теперь физики проектируют зародышевые нити совершенно нового Интернета для перемещения и манипулирования совершенно другим типом информации: квантовым битом или «кубитом». И на этот раз они не ждут, пока сначала появятся соответствующие компьютеры.


Две команды продемонстрировали ансамбль технологий, необходимых для построения основы такой сети - устройств, известных как квантовые повторители. Исследователям впервые удалось использовать легкие частицы, чтобы связать два кристалла, разделенных десятками метров, в единую квантово-механическую систему и проверить связь простым способом. Эксперименты предвещают будущее, в котором учреждения по всей планете смогут воспользоваться причудливым типом связи, называемым запутанностью .

«Это, безусловно, новый шаг в применении квантовых повторителей», - сказал Жюльен Лора, физик из Университета Сорбонны во Франции, который не принимал участия в исследовании.




Хранение света в материи


Одним из столпов квантовой информационной технологии является кубит, который представляет собой систему (например, частицу), которая существует в комбинации двух состояний, известной как «суперпозиция». Богатое поведение кубита по сравнению с классическим битом (который может существовать только как 0 или 1) позволяет использовать новые режимы вычислений, вроде того, как шестигранная игральная кость подходит для разных игр, чем двусторонняя монета.


В недавних экспериментах команды из Университета науки и технологий Китая (USTC) и Института фотонных наук (ICFO) в Испании использовали фотоны или световые частицы для создания кубитов. В прошлых экспериментах часто сохранялась информация о фотонах в газовых облаках, точно контролируемых с помощью лазеров, но исследователи из USTC и ICFO разработали новый тип «твердотельного» квантового жесткого диска: кристаллы стекла, заполненные или «легированные» ионами редкого вещества. -земельный металл. В более ранних экспериментах ионы заменяли газ, а стекло удерживало их на месте.


«Вы можете думать о наших легированных кристаллах как о замороженном облаке», - сказал Самуэле Гранди, физик ICFO, работавший над одним из экспериментов.

Когда фотон входит в кристалл, он врезается в ионы (которые исследователи тщательно подготовили для ответа на входящую частицу) и передает им свою энергию. В этот момент кристалл удерживает кубит фотона и служит квантовой памятью, устройством хранения квантовой информации.



Жуткая связь


Второй столп квантовой коммуникации - это эфирная связь, называемая запутанностью, в которой две частицы или группы частиц действуют как одна система, даже будучи разделенными на большие расстояния. Это явление лежит в основе квантового Интернета, объединяющего квантовые устройства во многом так же, как оптоволоконные кабели и радиоволны соединяют классические компьютеры. Квантовая сеть может простираться настолько далеко, насколько можно запутать квантовую память, но не более того.


Проблема в том, что, в отличие от битов на жестком диске, жесткие правила квантовой механики запрещают копирование и передачу кубитов в квантовой памяти (свойство, которое помогает сделать квантовые сообщения теоретически защищенными от взлома). Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи воображают, что квантовые воспоминания соединяются шлейфом с повторителями. Например, чтобы когда-нибудь запутать воспоминания между Бостоном и Вашингтоном, округ Колумбия, можно было бы связать воспоминания Бостона с воспоминаниями в нью-йоркском ретрансляторе, а нью-йоркские ретрансляторы - с памятью Вашингтона, округ Колумбия.


Гранди и его сотрудники сделали заметный шаг в направлении создания такого устройства. Их устройство начинается с двух лазерных устройств, по одному с каждой стороны, каждое из которых может производить пару запутанных фотонов. Даже этот первый шаг представляет собой проблему, так как каждое устройство имеет шанс сделать это только 1 из 1000.


Но если проявить настойчивость, в конечном итоге одно устройство испускает двойные фотоны. Один фотон попадает прямо в соответствующую квантовую память (легированное стекло), а другой устремляется вниз по оптоволоконному кабелю. На полпути между двумя устройствами (и их памятью) этот фотон попадает в светоделитель - материал, который пропускает фотон половину времени.


Вот где происходит квантовая магия. Когда Гранди и его сотрудники видят, как фотон вылетает из светоделителя, они понятия не имеют, пришел он с правой стороны или с левой. Поэтому они не знают, живет ли фотон-партнер в памяти справа или в памяти слева. Квантовая механика придает этой неопределенности серьезные последствия. Поскольку сохраненный фотон может находиться в правой или левой памяти, он должен существовать в суперпозиции правого и левого, как присутствующих, так и отсутствующих в обоих воспоминаниях, таким образом, что эти два кристалла переплетаются.

«Тот факт, что вы не можете знать, откуда он пришел, - сказал Гранди, - это то, что порождает переплетение между воспоминаниями, которые теперь удерживают между собой один фотон».


В случае успеха аппарат группы сохранял один фотон между двумя запутанными воспоминаниями в соседних лабораториях на расстоянии 10 метров (33 фута) друг от друга - результат часто описывается математически в квантовых учебниках, но редко встречается в реальном мире.


«Для меня это было ошеломляющим», - сказал Гранди Live Science. «Вы знаете, что это работает, но потом вы видите это, и это действительно нелогично».


Важно отметить, что команда смогла легко подтвердить сюрреалистическую связь. Фотон, выходящий из светоделителя, означает, что воспоминания запутаны. Исследователи называют эту частицу предвестником фотона, потому что она "предвещает" запутанность. Другие физики и раньше запутывали квантовую память различных типов, но эксперименты ICFO и USTC были первыми, в которых кристальная память запуталась с этим явным сигналом запутанности.


Аппарат ICFO также использовал свет той же длины волны, что и в оптоволоконных кабелях, и доказал, что их память может делать несколько попыток запутывания одновременно - шаг к квантовой сети, передающей разные сообщения одновременно. Группа USTC, напротив, достигла формы сцепления между двумя фотонами, которая более полезна, хотя их связь была более короткой. Команды описали свою работу в двух исследованиях, опубликованных 2 июня в журнале Nature.


Эти результаты «обеспечивают важные шаги вперед в построении блоков будущих цепочек квантовых повторителей», - сказал Live Science Рональд Хэнсон, исследователь квантовых коммуникаций из Технологического университета Делфта в Нидерландах. «Для области, работающей с твердотельной памятью на основе ансамбля, они значительно продвигают современный уровень».


Впереди долгая дорога

Эксперимент ICFO представляет собой кульминацию десятилетия работы физика Юга де Ридматтена по разработке процедур, материалов и устройств, необходимых для создания провозглашенной связи. Гранди и его коллега по ICFO Дарио Лаго-Ривера также сделали все возможное, чтобы изолировать элементы рудиментарного репитера от мировых потрясений. Если бы вибрация здания или порыв горячего воздуха заставили метровый кабель растянуться даже на дюжину нанометров, например, возмущение испортило бы эксперимент.

Несмотря на прогресс, практические квантовые повторители, которые могут надежно запутать воспоминания в разных городах - а тем более на континентах - еще предстоит пройти годы. Память ICFO может запоминать свои кубиты всего на 25 микросекунд, чего достаточно, чтобы запутаться в другой памяти, находящейся не дальше чем в 5 километрах. Сложная система также ненадежна: попытки записать фотон в память успешны только в 25% случаев.


Тем не менее, у исследователей есть разные идеи, как улучшить их настройку. Воодушевленные успехом объединения такого количества квантовых элементов, они верят, что находятся на пути к расширению запутанности и квантовых коммуникаций из соседних лабораторий в соседние города.

«Это была отправная точка для доказательства принципа», - сказал Гранди. Мы просто хотели «посмотреть, все ли работает».


Live Science.

новости | Ошибка? Вторник,1:55 0 Просмотров:45
Другие новости по теме:
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.