Квантовите изчисления са нещо повече от мечта за учените и инженерите: те са реалност, която ни очаква. Въпросът е кога ще достигнем до тази реалност, която някога беше храна за фантастиката.

Сега за първи път изследователите успешно са успели да създадат интерфейс, който позволява на две машини да се свържат и да споделят съхранената на тях квантова информация, което по същество е първата осезаема стъпка към изграждането на "квантов интернет". Успехът е постигнат при дължина на вълната, съвместима със системата от оптични влакна, която днес използваме за телекомуникации.

Пробивът доближава човечеството до свят, в който информацията може да се предава с абсолютна сигурност, а сложните изчисления да се извършват със светкавична скорост. Това е обещанието на квантовите технологии, които използват странните свойства на квантовата механика, като суперпозиция и заплитане. Реализирането на този потенциал обаче изисква възможност за трансфер и съхраняване на квантова информация, която обикновено се пренася от единични частици светлина, наречени фотони.

Една от най-обещаващите платформи за генериране на такива фотони са полупроводниковите квантови точки - малки островчета от материал, които могат да излъчват светлина с уникални квантови свойства. Тези квантови точки са като изкуствени атоми и могат да бъдат конструирани така, че да произвеждат фотони при поискване, което ги прави идеални кандидати за квантови комуникационни протоколи. За да се изгради функционална квантова мрежа обаче, тези фотони трябва да се съхраняват и обработват, което е мястото, където се появяват атомните квантови памети. Те използват ансамбли от атоми, за да абсорбират и съхраняват квантовото състояние на светлината, което позволява то да бъде извлечено по-късно. Предизвикателството се състои в това да се накарат тези две системи да разговарят ефективно помежду си.

Profit.bg

Стартъп на Нобелов лауреат обяви „квантов скок“ в съхранението на водород

Ключът към преодоляването на това разделение е да се съчетаят свойствата на светлината, излъчвана от квантовата точка, с изискванията на атомната памет. Това не е лесна задача, тъй като квантовите точки обикновено излъчват светлина с малко по-различен цвят и характер от тази, която атомите предпочитат да абсорбират.

За да преодолеят това препятствие, разказва специализираното издание Study Finds, изследователски екип, ръководен от д-р Сара Томас от Imperial College London и Лукас Вагнер от University of Stuttgart, използват редица авангардни техники. Първо, те внимателно конструират квантовата точка да излъчва светлина с дължина на вълната 1529,3 наномерра (nm), която попада в телекомуникационния диапазон с ниски загуби - същият, който се използва от сегашната интернет инфраструктура. Това е от решаващо значение за интегрирането на квантовите технологии със съществуващите комуникационни мрежи.

След това те прецизират свойствата на светлината, като използват серия от филтри и модулатори, за да съобразят нейния спектрален и времеви профил с изискванията на атомната памет. Самата памет се основава на протокол, наречен ORCA (Off-Resonant Cascaded Absorption), който използва облак от рубидиеви атоми. Когато се приложи силен управляващ светлинен импулс, той динамично променя абсорбционните свойства на атомите, позволявайки им да съхранят квантовото състояние на падащия фотон.

Екипът демонстрира, че може да съхранява единични фотони от квантовата точка в рубидиевата памет с ефективност от 12,9% и да ги извлича по-късно в избран от учените момент. Важното е, че възстановените фотони запазват квантовия си характер, като съотношението сигнал/шум е 18,2, което означава, че паметта може да съхранява и освобождава крехката квантова информация, носена от фотоните, без значително влошаване.

Изследването, публикувано в списание Science Advances, представлява значителна стъпка към реализирането на хибридни квантови мрежи, в които различни квантови системи са свързани помежду си за изпълнение на сложни задачи. Свързването на твърдотелни фотонни излъчватели с атомни памети очертава бъдеще, в което квантовата информация се генерира, предава, съхранява и обработва в разпределена мрежа, подобно на класическата информация, която днес се използва в интернет.

Profit.bg

Европейският съюз иска да произведе първия квантов суперкомпютър

"Свързването на две ключови устройства е решаваща стъпка напред в създаването на квантови мрежи и ние сме наистина развълнувани, че сме първият екип, който успя да демонстрира това", казва Томас в съобщение за медиите.

Все още обаче има предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени. Необходимо е да се подобри ефективността на процеса на съхранение и извличане, както и да се удължи времето за съхранение на паметта. Изследователите вече работят върху техники за подобряване на тези параметри, като например използване на динамични управляващи полета за компенсиране на движението на атомите, което понастоящем ограничава работата на паметта.

Освен това, за да се разширят наистина тези системи, ще е необходимо те да се интегрират в платформи, базирани на чипове, където множество квантови точки и памети могат да бъдат свързани чрез вълноводи и превключватели. Това ще изисква напредък в нано-производството и материалознанието, както и разработване на нови интерфейсни протоколи.

Въпреки тези предизвикателства обаче потенциалните предимства са огромни. Квантовите мрежи биха могли да позволят приложения като комуникация, която не може да бъде нерегламентирано проследена, разпределени квантови изчисления, усъвършенствани сензори и метрология, както и фундаментални тестове на квантовата механика в големи мащаби. Като обединява най-доброто от физиката на твърдото тяло и атомната физика, този проект отваря вратата към нова ера на квантовите технологии.

"Членовете на квантовата общност от известно време активно се опитват да осъществят тази връзка. В това число и ние - два пъти преди това сме опитвали този експеримент с различни устройства за памет и квантови точки, в продължение на повече от пет години, което само показва колко трудно е да се направи", казва съавторът на изследването д-р Патрик Ледингъм от University of Southampton. "Пробивът този път се дължеше на свикването на различни експерти и провеждане на всяка част от експеримента със специализирано оборудване, както и съвместната работа за синхронизиране на устройствата."

Profit.bg

Телепортираха информация на 96 километра

Вълнуващият експеримент демонстрира възможността за съхраняване и извличане на единични фотони от квантова точка в атомна квантова памет. Той демонстрира мощта на хибридните квантови системи и потенциала за работа в телекомуникационен диапазон - ключово изискване за реални приложения. Тъй като границите на квантовата наука и инженерство продължават да се разширяват, подобни хибридни интерфейси ще играят решаваща роля за реализирането на пълния потенциал на квантовите технологии.