Ingenjörer på Caltech har visat att atomer i optiska hålrum - små lådor för ljus - kan vara grunden för skapandet av ett kvantinternet. Deras arbete publicerades den 30 mars av tidskriften Natur .

Kvantnätverk skulle ansluta kvantdatorer genom ett system som också fungerar på en kvant, snarare än klassisk, nivå. I teorin, kvantdatorer kommer en dag att kunna utföra vissa funktioner snabbare än klassiska datorer genom att dra fördel av kvantemekanikens speciella egenskaper, inklusive superposition, vilket gör att kvantbitar kan lagra information som 1 och 0 samtidigt.

Som de kan med klassiska datorer, ingenjörer skulle vilja kunna ansluta flera kvantdatorer för att dela data och arbeta tillsammans - skapa ett "kvantinternet". Detta skulle öppna dörren för flera applikationer, inklusive att lösa beräkningar som är för stora för att hanteras av en enda kvantdator och upprätta okrossbart säker kommunikation med kvantkryptografi.

För att fungera, ett kvantnätverk måste kunna överföra information mellan två punkter utan att ändra kvantegenskaperna hos den information som överförs. En nuvarande modell fungerar så här:en enda atom eller jon fungerar som en kvantbit (eller "qubit") som lagrar information via en om dess kvantegenskaper, som snurr. För att läsa den informationen och överföra den någon annanstans, atomen är upphetsad med en ljuspuls, får den att avge en foton vars snurr är intrasslad med atomens snurr. Fotonen kan sedan överföra den information som trasslar in sig i atomen över en lång sträcka via fiberoptisk kabel.

Det är svårare än det låter, dock. Hitta atomer som du kan styra och mäta, och som inte heller är för känsliga för magnetiska eller elektriska fältfluktuationer som orsakar fel, eller dekoherens, är utmanande.

"Solid-state-avgivare som interagerar bra med ljus blir ofta offer för dekoherens; det vill säga de slutar lagra information på ett sätt som är användbart med tanke på kvantteknik, "säger Jon Kindem (MS '17, Ph.D. '19), huvudförfattare till Natur papper. Under tiden, atomer av sällsynta jordartsmetaller-som har egenskaper som gör elementen användbara som qubits-tenderar att interagera dåligt med ljus.

För att övervinna denna utmaning, forskare under ledning av Caltechs Andrei Faraon (BS '04), professor i tillämpad fysik och elektroteknik, konstruerade en nanofoton hålighet, en stråle som är cirka 10 mikron lång med periodisk nanomönster, skulpterad av en kristallbit. De identifierade sedan en ytterbiumjon av sällsynt jordart i mitten av strålen. Det optiska hålrummet tillåter dem att studsa ljus fram och tillbaka ner i strålen flera gånger tills det slutligen absorberas av jonen.

I Natur papper, laget visade att håligheten modifierar jonens miljö så att när som helst den avger en foton, mer än 99 procent av tiden som foton kvarstår i hålrummet, där forskare sedan effektivt kan samla in och upptäcka den fotonen för att mäta jontillståndet. Detta resulterar i en ökning av hastigheten med vilken jonen kan avge fotoner, förbättra systemets övergripande effektivitet.

Dessutom, ytterbiumjonerna kan lagra information i sitt snurr i 30 millisekunder. Vid den här tiden, ljus kan överföra information till resor över kontinentala USA. "Detta kontrollerar de flesta rutorna. Det är en sällsynt jordart som absorberar och avger fotoner på exakt det sätt vi skulle behöva för att skapa ett kvantnätverk, säger Faraon, professor i tillämpad fysik och elektroteknik. "Detta kan utgöra ryggradstekniken för kvantinternet."

För närvarande, teamets fokus ligger på att skapa byggstenarna i ett kvantnätverk. Nästa, de hoppas kunna skala upp sina experiment och faktiskt ansluta två kvantbitar, Säger Faraon.

Deras uppsats har titeln "Kontroll och enkelskott avläsning av en jon inbäddad i en nanofoton hålighet."