Geleceğin kuantum iletişim sistemleri için zemin hazırlayan Caltech’teki mühendisler, her biri birden fazla kuantum biti veya kubit içeren iki düğümlü bir kuantum ağının başarılı bir şekilde çalıştığını göstermiştir-kuantum bilgisayarların temel bilgi depolama yapı taşları.
Bunu başarmak için, araştırmacılar kuantum bilgilerini paralel bir şekilde dağıtmak için yeni bir protokol geliştirerek, veri göndermek için etkili bir şekilde birden fazla kanal oluşturdular veya çoğullama. Çalışma, ytterbium atomlarını kristallerin içine yerleştirerek ve onları optik boşluklara birleştirerek, ışığı yakalayan ve yönlendiren nano ölçekli yapılarla gerçekleştirildi. Bu platform, kuantum bilgi taşıyan fotonları paralel olarak iletmek için birden fazla kubit kullanmak için ideal hale getiren benzersiz özelliklere sahiptir.
Caltech’te William L. Valentine Uygulamalı Fizik ve Elektrik Mühendisliği Profesörü Andrei Faraon (BS ’04), “Bu, bireysel spin kubitlerinin kuantum ağında ilk dolaşım çoğullama gösterisidir” diyor. “Bu yöntem, alanda büyük bir sıçramayı temsil eden düğümler arasındaki kuantum iletişim oranlarını önemli ölçüde artırıyor.”
Çalışma, 26 Şubat’ta dergide yayınlanan bir makalede açıklanmaktadır. Doğa. Makalenin baş yazarları, şimdi Harvard Üniversitesi’nde doktora sonrası bir adam olan Andrei Ruskuc (Ph.D. ’24) ve Caltech’te lisansüstü öğrencisi Chun-Ju Wu, Faraon’un laboratuvarında çalışmayı tamamlıyor.
Tıpkı internetin bugün kullanmaya alışık olduğumuz klasik bilgisayarlarla bağlantı kurduğu gibi, geleceğin kuantum ağları farklı fiziksel konumlarda var olan kuantum bilgisayarları birbirine bağlayacaktır.
Kuantum alemiyle çalışırken, araştırmacılar bireysel atomların ve fotonların temel ışığın, temel ışık parçacıkları ile uğraşıyorlar. Bu ölçekte, madde klasik fiziğe göre davranmaz; Bunun yerine, kuantum mekaniği oyunda.
Kuantum mekaniğindeki en önemli ve tuhaf kavramlardan biri, atom veya foton gibi iki veya daha fazla nesnenin fiziksel ayrımlarına bakılmaksızın ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olduğu dolaşımdır. Bu bağlantı o kadar temeldir, bir parçacık diğerine atıfta bulunmadan tam olarak tanımlanamaz. Sonuç olarak, birinin kuantum durumunu ölçmek de kuantum iletişiminin anahtarı olan diğeri hakkında bilgi sağlar.
Kuantum iletişiminde amaç, kuantum bilgilerini paylaşmak veya ışınlamak için kubit olarak dolaşmış atomları kullanmaktır. Şimdiye kadar sınırlı iletişim oranlarına sahip olan temel zorluk, kubit hazırlamak ve fotonları iletmek için gereken zamandır.
Ruskuc, “Dolaşma çoğullama, işlemci veya düğüm başına birden fazla kubit kullanarak bu darboğazın üstesinden gelir. Kubit hazırlayarak ve fotonları aynı anda ileterek, dolaşma oranı kubit sayısıyla orantılı olarak ölçeklendirilebilir” diyor Ruskuc.
Yeni sistemde, iki düğüm Yttrium ortovanadat kristallerinden (YVO4) yapılan nanofabrik yapılardır. Lazerler, bu kristaller içinde nadir toprak metal olan ytterbium atomlarını (YB3+) uyarmak için kullanılır ve her atomun onunla dolaşmış bir foton yaymasına neden olur. İki ayrı düğümde atomlardan fotonlar daha sonra tespit edildikleri merkezi bir yere gider. Bu tespit işlemi, ytterbium atomları çiftleri arasında dolaşmış durumların yaratılmasına yol açan bir kuantum işleme protokolünü tetikler.
Her düğümün YVO4 kristalinde birçok ytterbium atomu vardır, bu nedenle çok sayıda mevcut kubit vardır. Bununla birlikte, bu atomların her biri kristal içindeki kusurların neden olduğu biraz farklı bir optik frekansa sahiptir.
Ruskuc, “Bu çift kenarlı bir kılıç gibi,” diyor. Bir yandan, farklı frekanslar araştırmacıların lazerlerinin spesifik atomları hedeflemeleri için ince ayar yapmalarına izin verir. Öte yandan, bilim adamları daha önce foton frekanslarındaki karşılık gelen farklılıkların dolaşmış kubbit durumları üretmeyi imkansız hale getireceğine inanıyordu.
Ruskuc, “Protokolümüz burada devreye giriyor. Optik geçişleri farklı olsa bile dolaşmış atom durumları üretmenin yenilikçi bir yoludur.” Diyor.
Yeni protokolde, fotonlar merkezi konumda tespit edildikten sonra atomlar gerçek zamanlı olarak bir tür özel kuantum işleme tabi tutulur. Araştırmacılar bu işleme “kuantum besleme ileri kontrolü” diyorlar.
Ruskuc, “Temel olarak, protokolümüz, foton varış saatinden aldığı bu bilgileri alır ve bir kuantum devresi uygular: iki kubitlere göre uyarlanmış bir dizi mantık kapısı. Ve bu devreyi uyguladıktan sonra dolaşmış bir durumla bırakılırız.”
Ekibin YVO4 platformu birçok kubit barındırabilir-bu çalışmada her düğüm yaklaşık 20 içeriyordu. “Ancak bu sayıyı en azından büyüklük sırası arttırmak mümkün olabilir” diyor ortak yazar Wu.
Faraon, “Nadir toprak iyonlarının benzersiz özellikleri, gösterilen protokolümüzle birleştiğinde, düğüm başına yüzlerce kubit ile ağların yolunu açıyor.” “Bu çalışmanın nadir toprak iyonlarına dayanan yüksek performanslı kuantum iletişim sistemleri için sağlam bir temel oluşturduğuna inanıyoruz.”
Makalenin ek Caltech yazarları, “Çok Emitör Kuantum Ağ Düğümlerinin Çiftli Dolaşımı” lisansüstü öğrenci Emanuel Green; AWS Kuantum Doktora Sonrası Araştırma Araştırma Görevlisi Sophie Ln Hermans; yüksek lisans öğrencisi William Pajak; ve Faraon’un laboratuvarından eski doktora sonrası bilgin olan Stanford Üniversitesi’nden Joonhee Choi. Cihaz nanofabrikasyonu Caltech’teki Kavli Nanoscience Enstitüsü’nde gerçekleştirildi.
