|
Толчок работе по созданию квантового интернета
|
|
|
|
В исследовании, которое могло бы дать толчок работе по созданию квантового Интернета, исследователи из Массачусетского технологического института и Кембриджского университета создали и протестировали невероятно маленькое устройство, которое могло бы обеспечить быстрый и эффективный поток квантовой информации на большие расстояния. Ключом к устройству является «микрочип» из алмаза, в котором некоторые атомы углерода алмаза заменены атомами олова. Эксперименты команды показывают, что устройство, состоящее из волноводов, по которым свет переносит квантовую информацию, решает парадокс, который заблокировал появление больших масштабируемых квантовых сетей. Квантовая информация в форме квантовых битов или кубитов легко разрушается шумами окружающей среды, такими как магнитные поля, которые разрушают информацию. Поэтому, с одной стороны, желательно иметь кубиты, которые не сильно взаимодействуют с окружающей средой. С другой стороны, однако, эти кубиты должны сильно взаимодействовать со светом или фотонами, что является ключом к передаче информации на расстояния.
|
|
|
|
Исследователи Массачусетского технологического института и Кембриджа реализуют оба варианта путем совместной интеграции двух разных типов кубитов, которые работают в тандеме для сохранения и передачи информации. Кроме того, команда сообщает о высокой эффективности передачи этой информации. «Это критический шаг, поскольку он демонстрирует возможность интеграции электронных и ядерных кубитов в микрочиплет. Эта интеграция направлена на необходимость сохранения квантовой информации на больших расстояниях, сохраняя при этом сильное взаимодействие с фотонами. Это стало возможным благодаря сочетанию сильных сторон команды Кембриджского университета и Массачусетского технологического института», — говорит Дирк Энглунд, доцент кафедры электротехники и информатики Массачусетского технологического института (EECS) и руководитель команды MIT. Энглунд также связан с Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института.
|
|
|
Профессор Мете Ататюре, руководитель кембриджской группы, говорит: «Результаты являются результатом тесного сотрудничества двух исследовательских групп на протяжении многих лет. Приятно видеть сочетание теоретического прогнозирования, изготовления устройств и внедрения новые квантово-оптические элементы управления в одной работе». Компьютерный бит можно рассматривать как нечто, имеющее два разных физических состояния, например «включено» и «выключено», обозначающих ноль и единицу. В странном сверхмалом мире квантовой механики кубит «обладает дополнительным свойством: вместо того, чтобы находиться только в одном из этих двух состояний, он может находиться в суперпозиции этих двух состояний. Таким образом, он может находиться в обоих этих состояниях». в то же время», — говорит Мартинес. Несколько кубитов, которые запутаны или коррелируют друг с другом, могут совместно использовать гораздо больше информации, чем биты, связанные с традиционными вычислениями. Отсюда потенциальная мощь квантовых компьютеров.
|
|
|
|
Существует много видов кубитов, но два распространенных типа основаны на вращении или вращении электрона или ядра (слева направо или справа налево). В новом устройстве используются как электронные, так и ядерные кубиты. Вращающийся электрон, или электронный кубит, очень хорошо взаимодействует с окружающей средой, в то время как вращающееся ядро атома, или ядерный кубит, этого не делает. «Мы объединили кубит, который хорошо известен тем, что легко взаимодействует со светом, с кубитом, который хорошо известен тем, что он очень изолирован и, таким образом, сохраняет информацию в течение длительного времени. Мы думаем, что, объединив эти два, мы сможем получить лучшее от оба мира», — говорит Мартинес. Как это работает? «Электрон [электронный кубит], проносящийся в алмазе, может застрять в дефекте олова», — говорит Харрис. И этот электронный кубит затем может передать свою информацию вращающемуся ядру олова, ядерному кубиту. «Я люблю использовать аналогию с Солнечной системой», — продолжает Харрис. «У вас есть Солнце посередине, это ядро олова, а затем Земля, вращающаяся вокруг него, и это электрон. Мы можем хранить информацию в направлении вращения Земли, это наш электронный кубит. Или мы можем хранить информацию в направлении Солнца, которое вращается вокруг своей оси. Это ядерный кубит».
|
|
|
|
В общем, свет передает информацию через оптическое волокно к новому устройству, которое включает в себя набор из нескольких крошечных алмазных волноводов, каждый из которых примерно в 1000 раз меньше человеческого волоса. Таким образом, несколько устройств могут выступать в качестве узлов, контролирующих поток информации в квантовом Интернете. Работа, описанная в журнале Nature Photonics, включает в себя эксперименты с одним устройством. «Однако в конечном итоге на микрочипе могут быть сотни или тысячи таких устройств», — говорит Мартинес. В исследовании 2020 года, опубликованном в журнале Nature, исследователи Массачусетского технологического института, в том числе несколько нынешних авторов, описали свое видение архитектуры, которая обеспечит крупномасштабную интеграцию устройств. Харрис отмечает, что его теоретическая работа предсказала сильное взаимодействие между ядром олова и приближающимся электронным кубитом. «Оно было в десять раз больше, чем мы ожидали, поэтому я подумал, что расчет, вероятно, был неправильным. Затем пришла команда Кембриджа и измерила его, и было приятно увидеть, что предсказание подтвердилось экспериментом». С этим соглашается Мартинес: «Теория плюс эксперименты наконец убедили нас в том, что [эти взаимодействия] действительно происходят».
|
|
|
|
Источник
|
