Вчені ORNL створили чіп, який інтегрує численні квантові фотонні функції, що забезпечує широкосмугові заплутані кубіти, сумісні з волоконно-оптичними мережами, наближаючи нас до масштабованого квантового Інтернету. Фахівці з квантової інформації Національної лабораторії Ок-Рідж Департаменту енергетики вперше успішно продемонстрували пристрій, який вперше поєднує ключові квантові фотонні можливості на одному чіпі.
Дослідження, опубліковане в Optica Quantum, зосереджено на формі квантових обчислень , які використовують фотони, частинки світла, для створення кубітів, а також для передачі та зберігання інформації. На відміну від класичних бітів, які представляють 0 або 1, кубіти можуть існувати в кількох станах одночасно завдяки феномену, відомому як квантова суперпозиція. Це забезпечує більш складне та потужне кодування інформації. Дослідження також просуває основу для квантової мережі, яка спрямована на зв’язок квантових пристроїв на різних відстанях, що є критичним кроком до реалізації квантового Інтернету.
Компактна, масштабована платформа
«Ми не перші, хто помістив будь-який із цих елементів на чіп, але ми перші, хто помістив ці конкретні можливості на один чіп», — сказав Джо Люкенс, старший автор дослідження та доцент Університету Пердью зі спільною посадою викладача ORNL. “Ці мікросхеми можна виготовляти за стандартизованими специфікаціями, що є ключем до забезпечення масового виробництва в масштабах. Такий продукт виводить нас за межі настільних демонстрацій і на шлях до квантового Інтернету, яким може користуватися кожен”.
Команда ORNL закодувала кубіти на фотонах і згенерувала заплутані пари кубітів, тобто пари кубітів настільки переплетені, що кубіти мають спільні властивості, навіть якщо вони розділені в просторі. Команда створила широкосмугову поляризаційну заплутаність, необхідний інгредієнт для різних типів квантових мереж, у повністю інтегрованій схемі, яку можна порівняти з електричним транзистором, на який покладаються класичні комп’ютери. Широкосмугове поляризаційне заплутування використовує напрямок вібрації світлової хвилі для кодування інформації про фотони в широкому спектрі довжин хвиль.
Використання існуючої інфраструктури
Ці фотонні кубіти можна передавати через існуюче волоконно-оптичне обладнання, що усуне значну частину витрат на встановлення нової інфраструктури. Така портативність може допомогти створити більш стабільний і безпечний квантовий Інтернет.
Процес генерації та кодування цих кубітів залишається дорогим і трудомістким, але інтегрована квантова фотоніка, застосована на новому чіпі команди, може допомогти подолати цю перешкоду.
«Якщо ми зможемо масово виробляти чіп, який має всі компоненти, необхідні для створення необхідного поляризаційного переплетення, тоді стане питанням підключення чіпів до мережі без необхідності купувати та вирівнювати всі ці спеціалізовані настільні компоненти», — сказав Олександр Мілошевський, науковий співробітник ORNL та співавтор дослідження.
Всередині чіпа: ключові компоненти та можливості
Конструкція мікросхеми містить ключові компоненти, такі як мікрокільцевий резонатор, який дозволяє генерувати заплутані пари фотонів , і поляризаційні роздільники-обертачі, які розділяють вхідне світло на різні вихідні шляхи залежно від поляризації світла. Поєднання компонентів на одному чіпі забезпечує пряме генерування широкосмугового поляризаційного заплутування.
«Ці фотони сумісні з традиційними волоконно-оптичними кабельними мережами, які вже існують», — сказав Хсуань-Хао Лу, науковий співробітник ORNL з квантових досліджень і співавтор дослідження. «Коли ми зможемо генерувати ці фотони та маніпулювати ними, ми зможемо використовувати звичайні готові телекомунікаційні компоненти для більшої частини роботи, яка залишилася».
Рекордна продуктивність каналу та майбутній потенціал
Чіп продемонстрував більше 116 різних пар каналів або кольорів світлових хвиль для передачі. Понад 100 із цих каналів мали високу точність, що команда назвала «рекордною кількістю». Використовуючи мікрокільцеві резонатори для генерації пар, проект команди міг би врешті-решт уможливити створення гіперзаплутаних кубітів, які були б заплутані більш ніж одним способом, наприклад за допомогою поляризації та кольору.
«Чим більше ступенів свободи ми можемо використати, щоб заплутати та закодувати ці кубіти, тим більше інформації ми можемо потенційно упакувати», — сказав Люкенс. “Одна груба метафора для заплутаності – це пара багатогранних кубиків, які, незважаючи на те, що індивідуально кидають абсолютно випадкові результати, завжди збігаються. Коли заплутано кілька ступенів свободи — колір, поляризація тощо, це ніби мати доступ до кількох пар цих кубиків одночасно, кожну з яких можна використовувати для спілкування. Це гіперзаплутаність.
“Усі ці дослідження є частиною більшої картини, яка зрештою приведе нас до квантового Інтернету. Ми точно не знаємо, як виглядатиме кінцевий результат, але все, що ми дізнаємося, наближає нас”.