Ingenieurs van Caltech hebben aangetoond dat atomen in optische holtes - kleine doosjes voor licht - de basis zouden kunnen zijn voor het creëren van een kwantuminternet. Hun werk werd op 30 maart gepubliceerd door het tijdschrift Natuur .

Kwantumnetwerken zouden kwantumcomputers verbinden via een systeem dat ook op een kwantum-, in plaats van klassiek, peil. In theorie, kwantumcomputers zullen op een dag bepaalde functies sneller kunnen uitvoeren dan klassieke computers door gebruik te maken van de speciale eigenschappen van de kwantummechanica, inclusief superpositie, waarmee kwantumbits informatie tegelijkertijd als een 1 en een 0 kunnen opslaan.

Zoals ze kunnen met klassieke computers, ingenieurs zouden graag meerdere kwantumcomputers met elkaar willen verbinden om gegevens te delen en samen te werken, waardoor een 'kwantuminternet' ontstaat. Dit zou de deur openen naar verschillende toepassingen, inclusief het oplossen van berekeningen die te groot zijn om door een enkele kwantumcomputer te worden afgehandeld en het tot stand brengen van onbreekbaar veilige communicatie met behulp van kwantumcryptografie.

Om te kunnen werken, een kwantumnetwerk moet informatie tussen twee punten kunnen verzenden zonder de kwantumeigenschappen van de verzonden informatie te veranderen. Een huidig ​​model werkt als volgt:een enkel atoom of ion fungeert als een kwantumbit (of "qubit") die informatie opslaat via een als zijn kwantumeigenschappen, zoals draaien. Om die informatie te lezen en elders te verzenden, het atoom wordt geëxciteerd met een lichtpuls, waardoor het een foton uitzendt waarvan de spin verstrengeld is met de spin van het atoom. Het foton kan de informatie die verstrengeld is met het atoom dan over een lange afstand via een glasvezelkabel verzenden.

Het is moeilijker dan het klinkt, echter. Atomen vinden die je kunt controleren en meten, en die ook niet al te gevoelig zijn voor magnetische of elektrische veldfluctuaties die fouten veroorzaken, of decoherentie, is uitdagend.

"Solid-state emitters die goed met licht interageren, worden vaak het slachtoffer van decoherentie, dat wil zeggen, ze stoppen met het opslaan van informatie op een manier die nuttig is vanuit het perspectief van kwantumtechnologie, " zegt Jon Kindem (MS '17, doctoraat '19), hoofdauteur van de Natuur papier. In de tussentijd, atomen van zeldzame-aarde-elementen - die eigenschappen hebben die de elementen bruikbaar maken als qubits - hebben de neiging om slecht met licht om te gaan.

Om deze uitdaging te overwinnen, onderzoekers onder leiding van Caltech's Andrei Faraon (BS '04), hoogleraar toegepaste natuurkunde en elektrotechniek, een nanofotonische holte geconstrueerd, een straal van ongeveer 10 micron lang met periodieke nanopatronen, gebeeldhouwd uit een stuk kristal. Vervolgens identificeerden ze een zeldzame-aarde-ytterbium-ion in het midden van de straal. Door de optische holte kunnen ze licht meerdere keren heen en weer door de straal kaatsen totdat het uiteindelijk door het ion wordt geabsorbeerd.

In de Natuur papier, het team toonde aan dat de holte de omgeving van het ion zodanig wijzigt dat wanneer het een foton uitzendt, meer dan 99 procent van de tijd dat foton in de holte blijft, waar wetenschappers dat foton vervolgens efficiënt kunnen verzamelen en detecteren om de toestand van het ion te meten. Dit resulteert in een toename van de snelheid waarmee het ion fotonen kan uitzenden, verbetering van de algehele effectiviteit van het systeem.

In aanvulling, de ytterbium-ionen kunnen gedurende 30 milliseconden informatie in hun spin opslaan. In deze tijd, licht zou informatie kunnen verzenden om door de continentale Verenigde Staten te reizen. "Hiermee worden de meeste vakjes gecontroleerd. Het is een zeldzame-aarde-ion dat fotonen absorbeert en uitzendt op precies de manier waarop we een kwantumnetwerk zouden moeten creëren, " zegt Farao, hoogleraar toegepaste natuurkunde en elektrotechniek. "Dit zou de ruggengraattechnologie kunnen vormen voor het kwantuminternet."

Momenteel, de focus van het team ligt op het creëren van de bouwstenen van een kwantumnetwerk. Volgende, ze hopen hun experimenten op te schalen en daadwerkelijk twee kwantumbits met elkaar te verbinden, zegt Farao.

Hun paper is getiteld "Controle en single-shot uitlezing van een ion ingebed in een nanofotonische holte."