Исследователи осознают квантовую телепортацию при механическом движении кремниевых лучей

Их революционное исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics, позволяет использовать реальные приложения, такие как квантовые интернет-ретрансляторы, а также позволяет изучать саму квантовую механику по-новому.

Квантовая оптомеханика
В области квантовой оптомеханики используются оптические средства для управления механическим движением в квантовом режиме. Первые квантовые эффекты в микромеханических устройствах были продемонстрированы около десяти лет назад. С тех пор сфокусированные усилия привели к запутанным состояниям между оптомеханическими устройствами, а также к демонстрации оптомеханической квантовой памяти. Теперь группа Симона Грёблахера из Института нанонауки Кавли и факультета квантовой нанонауки Делфтского технологического университета в сотрудничестве с исследователями из Университета Кампинаса в Бразилии показала первую успешную телепортацию произвольного состояния оптического кубита. на микромеханическую квантовую память.

Узлы-повторители для квантового интернета
Квантовая телепортация – точная передача неизвестного входного квантового состояния в удаленную квантовую систему – является ключевым компонентом протоколов квантовой связи на большие расстояния, необходимых для создания квантового Интернета. Как и в обычном Интернете, для распределения квантовой информации между квантовыми устройствами в любой точке мира потребуется сеть узлов-повторителей. Каждый узел временно хранит квантовую информацию в памяти перед тем, как телепортировать ее в следующий узел, в конечном итоге устанавливая квантовую связь на большом расстоянии.

Два микромеханических резонатора, разделяющих одно квантовое состояние
В своем эксперименте исследователи создают закодированный поляризацией фотонный кубит в произвольном квантовом состоянии. Затем они переносят этот фотон через десятки метров оптического волокна и телепортируют его в свою квантовую память, состоящую из двух массивных механических кремниевых резонаторов – каждый размером около 10 микрометров и состоящих из десятков миллиардов атомов. Квантовая информация хранилась в подпространстве однократного возбуждения двух резонаторов. Чтобы проверить надежность процесса, исследователи также продемонстрировали, что они могут достоверно восстановить это телепортированное состояние из памяти.

Длины волн связи
Хотя квантовая телепортация уже была продемонстрирована в различных квантовых системах, использование оптомеханических устройств является прорывом, поскольку они могут быть разработаны для работы на любой длине оптической волны, включая длины волн инфракрасного телекоммуникационного волокна с низкими потерями. «Именно эта длина волны приводит к самым низким потерям при передаче, обеспечивая максимальное расстояние между узлами ретранслятора», – говорит Грёблахер. «Эта веха стала возможной благодаря качеству и гибкости наших нанотехнологических оптомеханических систем, которые, в отличие от большинства других квантовых систем, позволяют независимо создавать оптические свойства. В будущем квантовый Интернет, несомненно, будет использовать существующую телекоммуникационную сеть на этой длине волны ».

Все строительные блоки
В принципе, квантовая телепортация может осуществляться на произвольные расстояния. Телепортируя фотонное квантовое состояние через десятки метров оптического волокна в квантовую память, исследователи продемонстрировали потребность в полностью функциональном оптико-механическом узле квантового повторителя. Грёблахер: «Теперь нам нужно еще больше повысить производительность до уровня, необходимого для системы, которая может быть развернута в реальном приложении, например, увеличить частоту повторения, точность и успешность телепортации и хранения кубита». По словам Тьяго Алегре, исследователя из Университета Кампинаса и соавтора этого проекта, одним из путей будет разработка оптомеханических систем, устойчивых к паразитному оптическому поглощению. «Это может быть реализовано благодаря гибкости этих устройств, изготовленных из нанотехнологий».

Гибридный подход
Текущее исследование – большой шаг к видению Грёблахера будущего гибридного квантового Интернета. «Мы работаем над гетерогенной сетью, в которой у вас есть различные физические системы, взаимодействующие между собой и выполняющие различные функции», – говорит он. «У вас могут быть узлы оптомеханического квантового повторителя, подключенные к квантовому компьютеру или памяти, состоящей из сверхпроводящих кубитов или спиновых квантовых систем соответственно. Все они должны быть совместимы друг с другом и работать на одной длине волны, чтобы точно передавать квантовую информацию ».

Квантово-классический переход
Помимо создания строительных блоков для новых квантовых технологий, возможность телепортировать произвольное состояние кубита на массивные механические осцилляторы также может использоваться для тестирования самой квантовой физики на фундаментальном уровне. В то время как очень маленькие системы обычно ведут себя в соответствии с законами квантовой механики, большие системы подчиняются классическим законам физики. «Эксперименты исключили определенные теории, описывающие механизмы декогеренции, ведущие к переходу от квантового состояния к классическому, но мы далеки от окончательного ответа», – говорит Грёблахер. «Поскольку наши оптомеханические системы относительно легко масштабировать и использовать телепортацию для создания интересных квантовых состояний, это важный шаг в понимании этой границы».