Max Home IndustryИсследователи из Университета Рочестера и Корнельского университета сделали важный шаг к разработке сети связи, которая обменивается информацией на большие расстояния с помощью фотонов, безмассовых мер света, которые являются ключевыми элементами квантовых вычислений и систем квантовой связи.
Исследовательская группа разработала наноразмерный узел из магнитных и полупроводниковых материалов, который может взаимодействовать с другими узлами, используя лазерный свет для излучения и приема фотонов.
Разработка такой квантовой сети, предназначенной для использования физических свойств света и материи, характеризуемых квантовой механикой, обещает более быстрые и эффективные способы связи, вычислений и обнаружения объектов и материалов по сравнению с сетями. в настоящее время используется для вычислений и связи.
Описанный в журнале Nature Communications , узел состоит из массива столбов высотой всего 120 нанометров. Столбы являются частью платформы, содержащей атомарно тонкие слои полупроводников и магнитных материалов.
Массив спроектирован таким образом, что каждый столб служит маркером местоположения для квантового состояния, которое может взаимодействовать с фотонами, а связанные фотоны могут потенциально взаимодействовать с другими местоположениями на устройстве — и с аналогичными массивами в других местоположениях. Этот потенциал для соединения квантовых узлов через удаленную сеть основан на концепции запутанности, феномена квантовой механики, который на самом базовом уровне описывает, как свойства частиц связаны на субатомном уровне.
«Это начало создания своего рода регистра, если хотите, где различные пространственные точки могут хранить информацию и взаимодействовать с фотонами», — говорит Ник Вамвакас, профессор квантовой оптики и квантовой физики в Рочестере.
К «миниатюризации квантового компьютера»
В основе проекта лежит работа, проделанная лабораторией Vamivakas в последние годы с использованием диселенида вольфрама (WSe2) в так называемых гетероструктурах Ван-дер-Ваальса. В этой работе используются слои атомарно тонких материалов друг над другом для создания или захвата одиночных фотонов.
В новом устройстве используется новое расположение WSe2, нанесенного на опоры, с нижележащим высокореактивным слоем трийодида хрома (CrI3). Там, где соприкасаются атомно тонкие слои с площадью 12 микрон, CrI3 передает электрический заряд WSe2, создавая «дыру» рядом с каждой из опор.
В квантовой физике дыра характеризуется отсутствием электрона. Каждая положительно заряженная дыра также имеет двойное магнитное свойство север / юг, связанное с ней, так что каждая из них также является наномагнитом
Когда устройство освещается лазерным светом, происходят дальнейшие реакции, превращающие наномагнетики в отдельные оптически активные спиновые массивы, которые излучают и взаимодействуют с фотонами. В то время как классическая обработка информации имеет дело с битами, которые имеют значения 0 или 1, спиновые состояния могут кодировать как 0, так и 1 одновременно, расширяя возможности обработки информации.
«Возможность контролировать ориентацию вращения отверстия с помощью ультратонкого CrI3 и большого размера 12 микрон устраняет необходимость в использовании внешних магнитных полей гигантских магнитных катушек, подобных тем, которые используются в системах МРТ», — говорит ведущий автор и аспирант Арунабх Мукерджи. «Это будет иметь большое значение для миниатюризации квантового компьютера на основе спинов отдельных дырок».
Еще впереди: запутывание на расстоянии?
При создании устройства исследователи столкнулись с двумя серьезными проблемами.
Один из них — создание инертной среды для работы с высокореактивным CrI3. Именно здесь вступило в игру сотрудничество с Корнельским университетом. «У них большой опыт работы с трииодидом хрома, и, поскольку мы работали с ним впервые, мы согласовали с ними этот аспект», — говорит Вамивакас. Например, изготовление CrI3 производилось в перчаточных боксах, заполненных азотом, чтобы избежать разложения кислорода и влаги.
Другой проблемой было определение правильной конфигурации опор, чтобы гарантировать, что отверстия и вращающиеся впадины, связанные с каждой опорой, могут быть правильно зарегистрированы и в конечном итоге связаны с другими узлами.
И в этом заключается следующая серьезная проблема: найти способ посылать фотоны на большие расстояния по оптоволокну к другим узлам, сохраняя при этом их свойства запутанности.
«Мы еще не разработали устройство, способствующее такому поведению», — говорит Вамивакас. «Это в будущем».