Оптический резонатор поможет создать квантовый интернет
Инженеры из Калифорнийского технологического института показали, что атомы в полостях оптических резонаторов могут стать одной из основных технологий, обеспечивающих функционирование квантового интернета. Свою работу исследователи опубликовали в журнале Nature. Квантовые сети будут соединять квантовые компьютеры через специальную систему, которая обеспечит соединение между ними. В теории квантовые компьютеры однажды смогут выполнять определенные функции быстрее, чем классические вычислительные системы, используя свойства квантовой механики, такие как суперпозиция состояний, которая позволяет квантовым битам быть одновременно нулем и единицей.
Как и в случае с классическими компьютерами, ученые хотели бы подключать несколько квантовых компьютеров для обмена данными и совместной работы — создать своего рода «квантовый интернет». Это открыло бы двери для множества применений, включая распределенные квантовые вычисления и шифрованную передачу информации. Однако такая сеть должна быть способна передавать информацию между двумя устройствами без изменения квантовых свойств передаваемой информации.
Имеющаяся сегодня модель работает следующим образом: один атом или ион действует как кубит и хранит информацию о своем квантовом свойстве, таком как спин. Чтобы прочитать эту информацию и передать ее в другое место, атом нужно возбудить импульсом света, заставляя его испустить фотон, спин которого запутан со спином атома и равен ему. Затем фотон может передавать информацию, связанную с атомом, на большое расстояние по опто-волоконному кабелю. Но сделать это сложнее, чем кажется. Большинство атомов чувствительны к колебаниям магнитного и электрического полей, что приводит к ошибкам при работе основанных на них устройств.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи из Калтеха построили нанофотонный резонатор — стержень длиной около 10 мкм с вытравленным на его поверхности специальным рисунком, созданный из кристалла ортованадата иттрия. Затем ученые поместили в центр ион редкоземельного металла иттербия Yb3+. При пропускании излучения через такой резонатор он несколько раз проходит вдоль стрежня и в конечном итоге, потеряв достаточно энергии, поглощается ионом иттербия. Авторы также показали, что полости в материале изменяют окружающую среду иона, благодаря чему излученный им фотон до 99% времени может находиться в материале, а ученые тем временем могут измерять его свойства.
Кроме того, ионы иттербия способны хранить информацию в своем спине в течение 30 миллисекунд. Этого достаточно, чтобы передавать информацию через всю континентальную часть США. В настоящее время команда сосредоточена на создании строительных блоков квантовой сети. Затем они надеются расширить свои эксперименты и соединить два квантовых бита на большом расстоянии друг от друга.
