Ilustracja przedstawiająca dwa chipy zawierające dwa splątane kwantowe źródła światła. Źródło: Peter Lodahl

W ramach nowego przełomu naukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadze we współpracy z Uniwersytetem Ruhr w Bochum rozwiązali problem, który od lat przyprawiał badaczy kwantowych o ból głowy. Naukowcy mogą teraz kontrolować dwa kwantowe źródła światła zamiast jednego. Choć może się to wydawać trywialne dla osób niewtajemniczonych w zagadnienia kwantowe, ten kolosalny przełom pozwala naukowcom stworzyć zjawisko znane jako kwantowo-mechaniczne splątanie. To z kolei otwiera nowe drzwi dla firm i innych osób do komercyjnego wykorzystania tej technologii.

Przejście od jednego do dwóch to w większości kontekstów niewielki wyczyn. Ale w świecie fizyki kwantowej robienie tego ma kluczowe znaczenie. Od lat naukowcy na całym świecie dążą do opracowania stabilnych kwantowych źródeł światła i osiągnięcia zjawiska zwanego kwantowo-mechanicznym splątaniem – zjawiska o właściwościach zbliżonych do science fiction, w którym dwa źródła światła mogą oddziaływać na siebie natychmiast i potencjalnie na duże odległości. odległości geograficzne. Splątanie jest podstawą sieci kwantowych i ma kluczowe znaczenie dla rozwoju wydajnego komputera kwantowego.

Naukowcy z Instytutu Nielsa Bohra opublikowali w cenionym czasopiśmie nowy wynik Nauka, w którym właśnie im się to udało. Według profesora Petera Lodahla, jednego z badaczy odpowiedzialnych za wyniki, jest to kluczowy krok w wysiłkach zmierzających do wyniesienia rozwoju technologii kwantowej na wyższy poziom i „kwantyzacji” komputerów, szyfrowania i Internetu w społeczeństwie.

Część zespołu stojącego za wynalazkiem. Od lewej: Peter Lodahl, Anders Sørensen, Vasiliki Angelopoulou, Ying Wang, Alexey Tiranov, Cornelis van Diepen. Źródło: Ola J. Joensen, NBI

„Możemy teraz kontrolować dwa kwantowe źródła światła i łączyć je ze sobą. To może nie wydawać się dużo, ale jest to duży postęp i opiera się na ostatnich 20 latach pracy. W ten sposób ujawniliśmy klucz do skalowania technologii, która ma kluczowe znaczenie dla najbardziej przełomowych zastosowań sprzętu kwantowego ”- mówi profesor Peter Lodahl, który prowadzi badania w tej dziedzinie od 2001 roku.

Cała magia dzieje się w tak zwanym nanochipie – który jest niewiele większy od średnicy ludzkiego włosa – który naukowcy opracowali również w ostatnich latach.

Źródła kwantowe wyprzedzają najpotężniejszy komputer świata

Grupa Petera Lodahla pracuje nad rodzajem technologii kwantowej, która wykorzystuje cząsteczki światła, zwane fotonami, jako mikrotransportery do przenoszenia informacji kwantowych.

Chociaż grupa Lodahla jest liderem w tej dyscyplinie fizyki kwantowej, do tej pory była w stanie kontrolować tylko jedno źródło światła naraz. Dzieje się tak dlatego, że źródła światła są niezwykle wrażliwe na „szum” z zewnątrz, przez co są bardzo trudne do skopiowania. W swoim nowym wyniku grupie badawczej udało się stworzyć dwa identyczne kwantowe źródła światła, a nie tylko jedno.

„Splątanie oznacza, że ​​kontrolując jedno źródło światła, natychmiast wpływasz na drugie. Dzięki temu możliwe jest stworzenie całej sieci splątanych kwantowych źródeł światła, z których wszystkie oddziałują ze sobą i które można zmusić do wykonywania kwantowych operacji bitowych w taki sam sposób, jak bity w zwykłym komputerze, tylko o wiele mocniej. wyjaśnia postdoc Alexey Tiranov, główny autor artykułu.

Dzieje się tak dlatego, że bit kwantowy może być jednocześnie 1 i 0, co skutkuje mocą obliczeniową nieosiągalną przy użyciu dzisiejszej technologii komputerowej. Według profesora Lodahla zaledwie 100 fotonów emitowanych z jednego kwantowego źródła światła będzie zawierało więcej informacji, niż może przetworzyć największy na świecie superkomputer.

Wykorzystując 20-30 splątanych kwantowych źródeł światła, istnieje możliwość zbudowania uniwersalnego komputera kwantowego z korekcją błędów – ostatecznego „świętego Graala” technologii kwantowej, w który duże firmy informatyczne pompują obecnie wiele miliardów.

Inne podmioty będą opierać się na badaniach

Według Lodahla największym wyzwaniem było przejście od kontrolowania jednego do dwóch kwantowych źródeł światła. Między innymi zmusiło to naukowców do opracowania wyjątkowo cichych nanoczipów i precyzyjnej kontroli nad każdym źródłem światła.

Dzięki nowemu przełomowi w badaniach podstawowe badania fizyki kwantowej są już na miejscu. Teraz nadszedł czas, aby inni aktorzy przejęli pracę naukowców i wykorzystali ją w swoich dążeniach do zastosowania fizyki kwantowej w szeregu technologii, w tym w komputerach, Internecie i szyfrowaniu.

„Zbudowanie konfiguracji, w której kontrolujemy 15-20 kwantowych źródeł światła, jest zbyt drogie dla uniwersytetu. Tak więc teraz, gdy przyczyniliśmy się do zrozumienia podstaw fizyki kwantowej i zrobiliśmy pierwszy krok na tej drodze, dalsze zwiększanie skali jest w dużej mierze zadaniem technologicznym” – mówi profesor Lodahl.

Odniesienie: „Zbiorowa dynamika super- i subradiant między odległymi optycznymi emiterami kwantowymi” Alexey Tiranov, Vasiliki Angelopoulou, Cornelis Jacobus van Diepen, Björn Schrinski, Oliver August Dall’Alba Sandberg, Ying Wang, Leonardo Midolo, Sven Scholz, Andreas Dirk Wieck, Arne Ludwig, Anders Søndberg Sørensen i Peter Lodahl, 26 stycznia 2023 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ade9324

Badania przeprowadzono w „Centrum doskonałości hybrydowych sieci kwantowych (Hy-Q)” Duńskiej Narodowej Fundacji Badawczej i jest to efekt współpracy między Uniwersytetem Ruhr w Bochum w Niemczech i Instytutem Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze.