Fyysikot kehittävät kvanttimodeemia

Kvanttimodeemi: Keskellä on kidelevy, jossa erbiumatomien kvanttibitit (nuolet) ovat. Edestakaisin heijastunut infrapunavalo osoitetaan punaisilla levyillä.

Max Planckin kvanttioptiikan instituutin fyysikot ovat kehittäneet “kvanttimodeemin” perusteknologiaa. Sen avulla käyttäjät voisivat muodostaa yhteyden tulevaan kvantti-internettiin, joka perustuisi olemassa olevaan valokuituinfrastruktuuriin.

"Tulevaisuudessa kvantti-internetiä voitaisiin käyttää yhdistämään eri paikoissa sijaitsevia kvanttitietokoneita", Andreas Reiserer sanoo, "mikä lisäisi huomattavasti niiden laskentatehoa!"

Tämä vaatii kuitenkin sopivia rajapintoja erittäin herkälle kvantti-informaatiolle. On varmistettava, että tiedonsiirrossa paikalliset ainekubitit ovat tehokkaasti vuorovaikutuksessa "lentävien" fotonikubittien kvantti-informaationsa säilyttäen.

Tätä tarkoitusta varten tohtoriopiskelija Benjamin Merkelin ympärillä oleva tiimi on kehittänyt uuden tekniikan ja osoittanut sen perustoiminnot.

Jotta tämä järjestelmä toimisi, modeemin lähettämien tai vastaanottamien fotonien on sovittava tarkalleen tietoliikenteeseen käytetyn laservalon infrapunan aallonpituuteen. Tämä tarkoittaa, että modeemissa on oltava lepotilassa olevia kubitteja, jotka voivat reagoida tarkasti infrapunavalon fotoneihin kvanttihypyllä. Vain tällä tavalla herkkä kvantti-informaatio voidaan välittää suoraan paikallisten ja lentävien kubittien välillä.

Tutkijaryhmän työ selvitti, että erbium soveltuu parhaiten tähän tarkoitukseen. Erbiumatomin elektronit voivat tehdä sopivan kvanttihypyn mutta ne ovat varsin haluttomia tekemään sen. Siksi ne on kiinnitettävä ympäristöön, mikä pakottaa ne reagoimaan nopeammin.

Tiimi paketoi atomit läpinäkyvään ja ohueen kiteeseen, joka on valmistettu yttriumsilikaattiyhdisteestä. Kide puolestaan sijoitetaan kahden melkein täydellisen peilin väliin. Kvantti-informaation tuhoavan atomien lämpöhuojunnan poistamiseksi paketti jäähdytetään miinus 271 °C:een.

Peilien väliin jääneet fotonit heijastuvat kiteessä edestakaisin kuin pingispallot. Ne kulkevat erbiumatomien läpi niin usein, että atomeilla on riittävästi aikaa reagoida kvanttihypyllä. Koska peilit ovat hieman fotoneja läpäiseviä, modeemi voi muodostaa yhteyden verkkoon.

"Olemme erittäin onnellisia tästä menestyksestä", Reiserer sanoo. Seuraavassa vaiheessa hän haluaa parantaa kokeilua siten, että yksittäistä erbiumatomia voidaan osoittaa kuin kubittia laservalon kautta. Tällöin kiteen kubitit voivat toimia jopa kvanttiprosessorina. Tämä tekisi modeemista helposti yhteensopivan kvanttisten päätelaitteiden kanssa.

Tutkijoiden mukaan nyt kehitetty kvanttimodeemi on edelleen puhtaasti perustutkimusta. Mutta sillä on potentiaalia edistää kvantti-internetin teknistä toteutusta.

Hieman aiemmin Max Planckin kvanttioptiikan instituutin toinen tutkijryhmä kertoi kehittäneensä fotoneille monikubittisen hajasaantimuistin (RAQM) kirjoitus- ja lukutoimintoineen. Se rakentui kahdesta rubidiumatomista, jotka on kytketty samaan optisen onteloon.

Muistiratkaisu yhdistettynä atomi-fotoni lomittumisen ja atomi-atomi porttien kanssa ja laajennuksella useisiin erikseen osoitettaviin atomeihin tekee tässä käytetystä onteloalustasta lupaavan ehdokkaan tuleville kvanttiverkostoille, joissa on kvanttitoistimia ja hajautettuja kvanttitietokoneita.

Aiheesta aiemmin:

Kohti hakkeroimatonta kvantti-internettiä

Kvanttitiedonsiirtoa nykyisissä kuituverkoissa

Kvanttitiedonsiirto vauhdittuu