Новый эксперимент переводит квантовую информацию между технологиями, что является важным шагом для квантового интернета.

Исследователи открыли способ «перевода» квантовой информации между различными типами квантовых технологий, что имеет серьезные последствия для квантовых вычислений, связи и сетей.

Публикация исследования в журнале природа Среда. Он представляет собой новый способ преобразования квантовой информации из формата, используемого квантовыми компьютерами, в формат, необходимый для квантовой связи.

Фотоны — частицы света — необходимы для квантовых информационных технологий, но разные технологии используют их на разных частотах. Например, некоторые из самых популярных технологий квантовых вычислений основаны на сверхпроводящих кубитах, таких как те, которые используются технологическими гигантами Google и IBM; Эти кубиты хранят квантовую информацию в фотонах, движущихся на микроволновых частотах.

Но если вы хотите построить квантовую сеть или соединить квантовые компьютеры, вы не сможете посылать микроволновые фотоны, потому что их хватка над своей квантовой информацией слишком слаба, чтобы выжить в путешествии.

«Многие технологии, которые мы используем для классической связи — сотовые телефоны, Wi-Fi, GPS и тому подобное — используют микроволновые частоты для освещения», — сказала Айшвария Кумар, научный сотрудник Института Джеймса Франка Чикагского университета. . . . Ведущий автор на бумаге. «Но вы не можете сделать это для квантовой связи, потому что необходимая вам квантовая информация содержится в одном фотоне. А на микроволновых частотах эта информация будет скрыта тепловым шумом».

Решение состоит в том, чтобы передать квантовую информацию высокочастотному фотону, называемому оптическим фотоном, который более устойчив к окружающему шуму. Но информация не может передаваться напрямую от фотона к фотону. Вместо этого нам нужна промежуточная команда. В некоторых экспериментах для этой цели разрабатываются твердотельные устройства, но эксперимент Кумара направлен на нечто более фундаментальное: атомы.

Только электронам в атомах разрешено иметь определенное количество энергии, называемое энергетическими уровнями. Если электрон находится на более низком энергетическом уровне, его можно возбудить до более высокого энергетического уровня, ударив по нему фотоном, энергия которого точно соответствует разнице между более высоким и более низким уровнями. Точно так же, когда электрон перемещается на более низкий энергетический уровень, атом испускает фотон с энергией, пропорциональной разнице энергий между уровнями.

Так получилось, что атомы рубидия имеют две дырки в своих плоскостях, которые использует техника Комара: одна точно равна энергии микроволнового фотона, а вторая точно равна энергии оптического фотона. Используя лазер для смещения энергии электронов атома вверх и вниз, этот метод позволяет атому поглощать микроволновый фотон с квантовой информацией, а затем излучать фотон света с этой квантовой информацией. Этот перевод между различными режимами квантовой информации называется «конверсией».

Эффективное использование атомов для этой цели стало возможным благодаря большим достижениям ученых в манипулировании такими маленькими объектами. «За последние 20 или 30 лет мы как общество создали удивительные технологии, которые позволяют нам контролировать практически все, что связано с атомами», — сказал Кумар. «Таким образом, испытание очень контролируемое и эффективное».

Еще один секрет их успеха, по его словам, заключается в достижениях области в области квантовой электродинамики резонатора, в которой фотон захватывается в сверхпроводящую отражающую камеру. Заставляя фотон отражаться от замкнутого пространства, сверхпроводящая полость усиливает взаимодействие между фотоном и любым материалом, помещенным внутри нее.

Их комната не выглядит полностью закрытой — на самом деле она очень похожа на кусок швейцарского сыра. Но то, что выглядит как червоточины, на самом деле является туннелями, которые пересекаются в очень специфической геометрии, так что фотоны или атомы могут быть захвачены на пересечении. Это умная конструкция, которая также позволяет исследователям получить доступ к камере, чтобы они могли вводить атомы и фотоны.

Технология работает в обоих направлениях: она может передавать квантовую информацию от микроволновых фотонов к световым фотонам и наоборот. Таким образом, он может находиться по обе стороны дальней связи между двумя сверхпроводящими квантовыми компьютерами и служить основным строительным блоком для квантового интернета.

Но Кумар считает, что у этой технологии может быть больше применений, чем просто квантовые сети. Его основная способность — энергетически запутывать атомы и фотоны — фундаментальная и сложная задача во многих различных квантовых технологиях в разных областях.

«Одна из вещей, которая нас очень радует, — это способность этой платформы генерировать действительно эффективные синапсы», — сказал он. «Запутанность лежит в основе почти всего, что нас интересует, от вычислений и моделирования до весов и атомных часов. Я тоже рад видеть, что мы можем сделать».