Дослідники Університету Ватерлоо поєднують концепції, удостоєні Нобелівської премії, щоб досягти наукового прориву. Дослідники з Інституту квантових обчислень Університету Ватерлоо (IQC) об’єднали дві науково-дослідницькі концепції, удостоєні Нобелівської премії, для розвитку квантової комунікації. Тепер вчені можуть ефективно створювати майже ідеальні заплутані фотонні пари з джерел квантових точок.
Заплутані фотони — це частинки світла, які залишаються зв’язаними навіть на великих відстанях, і Нобелівська премія з фізики 2022 року відзначила експерименти на цю тему. Поєднуючи заплутаність із квантовими точками, технологію, визнану Нобелівською премією з хімії у 2023 році, дослідницька група IQC мала на меті оптимізувати процес створення заплутаних фотонів, які мають широкий спектр застосувань, включаючи безпечний зв’язок.
Підвищення квантової ефективності та заплутаності
«Поєднання високого ступеня заплутаності та високої ефективності необхідне для захоплюючих додатків, таких як квантовий розподіл ключів або квантові повторювачі, які, як передбачається, розширюють відстань безпечного квантового зв’язку до глобального масштабу або з’єднують віддалені квантові комп’ютери», — сказав доктор. Майкл Реймер, професор IQC і кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Ватерлоо. «Попередні експерименти вимірювали лише майже ідеальне заплутування або високу ефективність, але ми перші, хто досяг обох вимог за допомогою квантової точки».
Вбудувавши напівпровідникові квантові точки в нанопровід, дослідники створили джерело, яке створює майже ідеальні заплутані фотони в 65 разів ефективніше, ніж попередні роботи. Це нове джерело, розроблене у співпраці з Національною дослідницькою радою Канади в Оттаві, може збуджуватися за допомогою лазерів для створення заплутаних пар за командою. Потім дослідники використали однофотонні детектори високої роздільної здатності, надані компанією Single Quantum у Нідерландах, щоб збільшити ступінь заплутаності.
Подолання історичних викликів і майбутні застосування
«Історично системи квантових точок страждали від проблеми, яка називається розщепленням тонкої структури, яка змушує заплутаний стан коливатися з часом. Це означало, що вимірювання, проведені за допомогою повільної системи виявлення, не дадуть можливості виміряти заплутаність», — сказав Маттео Пеннаккієтті, аспірант кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії IQC і Ватерлоо. «Ми подолали це, поєднавши наші квантові точки з дуже швидкою та точною системою виявлення. По суті, ми можемо взяти часову позначку того, як виглядає заплутаний стан у кожній точці під час коливань, і саме там ми маємо ідеальне заплутання».
Щоб продемонструвати майбутні комунікаційні програми, Реймер і Пеннаккіетті працювали з доктором Норбертом Люткенхаусом і доктором Томасом Єнневайном, членами факультету IQC і професорами кафедри фізики та астрономії Ватерлоо, а також їхніми командами. Використовуючи нове джерело сплутаності квантових точок, дослідники змоделювали метод безпечного зв’язку, відомий як квантовий розподіл ключів, довівши, що джерело квантових точок має значні перспективи в майбутньому безпечного квантового зв’язку.