От квантовите компютри се очаква да изпълняват изчисления стотици пъти по-бързо от сегашните
(снимка: CC0 Public Domain)
Атоми в оптични кухини – малки ями за светлината – биха могли да се окажат основата за създаването на квантовия интернет. Това обявиха учени от Калифорнийския технологичен институт, а работата им бе публикувана на 30 март в списание Nature.
Последните няколко месеца донесоха поредица от вести за създаване на първите работещи квантови компютри и справяне с първите квaнтови изчисления. За да работят квантовите компютри обаче са необходими и квантови мрежи, както и съответните софтуерни системи. Тези две предизвикателства сега са на дневен ред.
Квантовите мрежи биха свързвали квантовите компютри чрез система, която също работи квантово, а не дигитално. От квантовите компютри се очаква по този начин да могат да изпълняват изчисления стотици пъти по-бързо от сегашните компютри. Това ще е възможно благодарение на специалните свойства на квантовата механика, включително суперпозицията, която позволява на квантовите битове да съхраняват информация като 1 и 0 едновременно.
Както и при сегашните компютри, инженерите биха могли да свържат множество изчислителни системи, за да споделят данни и да работят заедно – създавайки „квантов интернет”. Това би направило възможно да се извършват огромни изчислителни задачи – такива, които са твърде големи, за да се обработват от един-единствен квантов компютър – и да се установи непрекъснато защитена комуникация с помощта на квантовата криптография.
Но за да работи този сценарий, квантовата мрежа трябва да може да предава информация между две точки, без да променя квантовите свойства на предаваната информация. Настоящият модел работи така: един атом или йон действа като квантов бит (или „кюбит”), съхранявайки информация благодарение на своите квантови свойства. За да прочете тази информация и да я предаде на друго място, атомът се възбужда от светлинен импулс, което го кара да излъчи фотон, чийто спин (въртене) е обвързан със спина на атома. След това фотонът може да предаде информацията на дълго разстояние чрез оптичен кабел.
Звучи лесно, да се направи е по-трудно. Намирането на атоми, които можете да контролирате и измервате и които не са твърде чувствителни към колебанията на магнитното или електрическото поле (водещи до грешки или декохерентност), е голямо предизвикателство.
„Твърдотелните излъчватели, които взаимодействат със светлината, често стават жертва на декохерентност; тоест, те спират да съхраняват информация по начин, който е полезен от гледна точка на квантовия инженериг”, казва Джон Киндем, водещ автор на публикацията за откритието. Междувременно атомите на редкоземни елементи – със свойства, които ги правят полезни за кюбити – са склонни да взаимодействат слабо със светлината.
За да преодолеят това предизвикателство, изследователите – ръководени от Андрей Фараон от Калифорнийския технологичен институт, професор по приложна физика и електротехника – конструират нанофотонна кухина: лъч с дължина около 10 микрона с периодична нано-шарка, изваян от къс кристал. След това идентифицират итербиев йон (итербий – редкоземен елемент, сребристо-бял метал) в центъра на лъча. Оптичната кухина позволява светлината да отскача няколко пъти напред-назад, докато най-накрая се абсорбира от йона.
В публикацията в Nature екипът показва, че кухината модифицира йонната среда така, че когато излъчва фотон, за повече от 99 процента от времето фотонът остава в кухината, където учените след това могат ефективно да уловят и открият този фотон, за да измерят състоянието на йона. Това води до увеличаване на скоростта, с която йонът може да излъчва фотони, подобрявайки общата ефективност на системата.
В допълнение, итербиевите йони са в състояние да съхраняват информация в своя спин за 30 милисекунди. За толкова време светлината може да предава информация така, че да пропътува през цял континент.
„Това отговаря на повечето от изискванията. Става дума за редкоземен йон, който абсорбира и излъчва фотони точно по начина, по който трябва, за да създадем квантова мрежа”, казва Фараон. По неговите думи, технологията може да формира основата на квантовия интернет.
В момента фокусът на екипа е върху създаването на градивни елементи на бъдещата квантова мрежа. На следващо място те се надяват да увеличат своите експерименти и всъщност да свържат два квантови бита, казва Фараон. Докладът на учените е озаглавен „Контрол и еднократно отчитане на йон, вграден в нанофотонна кухина”.