Die Fähigkeit, Quanteninformationen zwischen verschiedenen Quantentechnologien „umzudrehen“, hat wichtige Auswirkungen auf das Quantennetzwerk, die Kommunikation und die Datenverarbeitung. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Es stellt eine neue Methode dar, um Quantendaten aus einem Quantencomputerformat in das für die Quantenkommunikation erforderliche Format umzuwandeln.
Quanteninformationssysteme benötigen Photonen, bei denen es sich um Lichtteilchen handelt, aber verschiedene Technologien verwenden sie mit unterschiedlichen Frequenzen. Supraleitende Qubits bilden beispielsweise die Grundlage einiger der beliebtesten Quantencomputertechniken und werden von Technologiegiganten wie Google und IBM verwendet, um Quanteninformationen in Photonen zu speichern, die sich in der Mikrowelle bewegen.
Mikrowellenphotonen können jedoch nicht verwendet werden, um Quantencomputer miteinander zu verbinden oder ein Quantennetzwerk aufzubauen, da sie Quanteninformationen nicht während der gesamten Reise speichern können.
Laut Aishwarya Kumar, Postdoktorandin am James-Franck-Institut der Universität von Chicago und Hauptautorin des Artikels, verwenden Mobiltelefone, Wi-Fi, GPS und ähnliche Geräte alle Mikrowellenfrequenzen des Lichts. Das ist aber nicht möglich, weil die für die Quantenkommunikation benötigte Quanteninformation in einem einzigen Photon enthalten ist. Außerdem werden diese Informationen durch thermisches Rauschen bei Mikrowellenfrequenzen maskiert.
Die Antwort besteht darin, die Quanteninformation auf das optische Photon zu verschieben, ein Photon mit höherer Frequenz, das viel widerstandsfähiger gegen Hintergrundrauschen ist. Informationen können jedoch nicht direkt von einem Photon auf ein anderes übertragen werden; Stattdessen ist ein Zwischenprodukt erforderlich. Während einige Experimente zu diesem Zweck Festkörperelektronik herstellen, konzentriert sich Kumars Experiment auf etwas Grundlegenderes: Atome.
Atomare Elektronen dürfen nur einen begrenzten Energiebereich oder Energieniveaus haben. Ein Photon, dessen Energie perfekt der Differenz zwischen dem niedrigeren und dem höheren Niveau entspricht, kann ein Elektron von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres Niveau anregen.
Wenn ein Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau gezwungen wird, setzt das Atom ein Photon mit einer Energie frei, die der Differenz zwischen den Niveaus entspricht.
Die beiden Leerstellen in den Ebenen der Rubidiumatome, die von Kumars Erfindung verwendet werden, sind diejenigen, die genau zu den Energien eines optischen Photons und eines Mikrowellenphotons passen. Die Methode ermöglicht es dem Atom, ein Mikrowellenphoton mit Quanteninformation zu absorbieren und dann Laser zu verwenden, um die Elektronenenergie des Atoms nach oben und unten zu verändern, um ein optisches Photon mit Quanteninformation zu erzeugen. „Transduktion“ bezieht sich auf diese Transformation von Quanteninformationen zwischen verschiedenen Zuständen.
Bedeutende Fortschritte in der Atommanipulation haben es Wissenschaftlern ermöglicht, Atome für diesen Zweck effektiv zu nutzen. In den letzten 20 bis 30 Jahren, sagte Kumar, „haben wir als Gemeinschaft eine außergewöhnliche Technologie entwickelt, die es uns ermöglicht, im Wesentlichen alles über Atome zu kontrollieren.“ Daher war das Experiment gut geplant und effizient.
Kumar behauptet, dass Fortschritte auf dem Gebiet der Hohlraum-Quantenelektrodynamik, bei der ein Photon in einer supraleitenden, reflektierenden Kammer gefangen wird, der zweite Schlüssel zu ihrem Erfolg sind. Der supraleitende Hohlraum zwingt das Photon dazu, in einer geschlossenen Umgebung abzuprallen, wodurch die Wechselwirkung zwischen dem Photon und allem, was sich darin befindet, verstärkt wird.
Ihre Zimmer sehen nicht sehr geschlossen aus; eigentlich sieht es eher aus wie ein schweizer käseblock. Aber was wie Löcher aussieht, sind eigentlich Tunnel, die sich in einer ganz speziellen Geometrie kreuzen, sodass Photonen oder Atome an einer Kreuzung eingefangen werden können. Dieses clevere Design ermöglicht Forschern auch den Zugang zur Kammer, um Atome und Photonen zu injizieren.
Die Technologie ist bidirektional und kann Quanteninformationen von Mikrowellenphotonen zu optischen Photonen und umgekehrt übertragen. Es könnte daher ein wesentlicher Bestandteil eines Quanteninternets sein und zu beiden Seiten einer Fernverbindung zwischen zwei supraleitenden Qubit-Quantencomputern liegen.
Aber Kumar glaubt, dass diese Technologie viel mehr Nutzen haben könnte als ein Quantennetzwerk. Seine primäre Fähigkeit ist die Fähigkeit, Photonen und Atome eng zu verschränken, ein entscheidender, aber herausfordernder Prozess in einer Vielzahl von Quantentechnologien.
Eines der Dinge, die uns „wirklich begeistern“, ist die Fähigkeit der Plattform, hochwirksame Verschränkungen zu erzeugen. "Verstrickung; Die Berechnung ist das Herzstück fast aller Quantenanwendungen, mit denen wir uns befassen, einschließlich Simulationen, Metrologie und Atomuhren. Ich kann es kaum erwarten zu sehen, was wir sonst noch erreichen können.
Quelle: phys.org/news
Günceleme: 25/03/2023 14:45