اپتیک و کوانتوم

تیمی از دانشمندان درهم‌تنیدگی سریع فوتون‌ها را بین یون‌های به دام افتاده نشان دادند، پیشرفتی که تیم گزارش می‌دهد گام بزرگی به جلو در شبکه‌های کوانتومی، در میان سایر فناوری‌های کوانتومی است. این آزمایش که توسط مرکز کوانتومی دوک هدایت می‌شود، در حالی که از یون‌های ایتربیوم برای خنک‌سازی مداوم سمپاتیک استفاده می‌کرد، به رکوردی در نرخ درهم‌تنیدگی بین دو یون باریم دست یافت. نتایج منتشر شده در Physical Review Letters و نسخه قبلی در ArXiv، پیشرفت‌های امیدوارکننده‌ای را به سمت شبکه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر نشان می‌دهد که نه تنها برای آینده محاسبات کوانتومی، بلکه برای ارتباطات و حسگری نیز ضروری هستند.

یون های به دام افتاده یکی از گزینه­های امیدوارکننده برای شبکه های کوانتومی و محاسبات هستند. همگنی طبیعی و انزوای آنها از نویزهای محیطی آنها را به کیوبیت های ایده آلی تبدیل می کند که قادر به حفظ همدوسی برای دوره های طولانی هستند. با این حال، ایجاد درهم تنیدگی بین یون‌های به دام افتاده دور - یک نیاز اساسی برای شبکه‌های کوانتومی توزیع‌شده - به دلیل ماهیت احتمالی گسیل و تشخیص فوتون یک چالش فنی باقی مانده است. در این آزمایش، تیم تحقیقاتی از دو یون باریم به دام انداخته استفاده کردند و با تداخل فوتون‌های منفرد ساطع شده از هر یون، آنها را درهم تنیده کردند. محققان از لنزهای ویژه ای (آبجکتیوهایی با دیافراگم عددی 8/0) استفاده کردند تا ذرات ریز نوری که از یون ها ساطع می شوند را دریافت کنند. سپس این فوتون‌ها از طریق یک تقسیم‌کننده فیبر نوری، وسیله‌ای که به تداخل آنها با یکدیگر کمک می‌کند، ترکیب شدند. این تداخل باعث شد که دو یون "درهم تنیده" شوند، به این معنی که حالات آنها به هم مرتبط شدند، به طوری که اتفاقی که برای یکی می افتد می تواند به احتمال زیاد بر دیگری تأثیر بگذارد، حتی اگر از هم دور باشند، که به آن حالت بل درهم تنیده نیز می­گویند. درهم تنیدگی از 94% فراتر رفت و معیار بالایی را برای درهم تنیدگی یون با واسطه فوتون تعیین کرد. این تیم می نویسد که استفاده از اتصالات مبتنی بر فوتون برای پیوند گره های محاسباتی کوانتومی ضروری است، کاری که با روش های مرسوم تر بسیار دشوار است. محققان در این مقاله نوشتند: «ارتباطات فوتونیکی بین گره‌های پردازش کوانتومی ممکن است تنها راه دستیابی به رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ باشد». یکی از ابداعات کلیدی در این آزمایش استفاده از یون ایتربیوم اضافی برای خنک سازی سمپاتیک مداوم بود. این امر به یون های باریم اجازه می دهد تا در طول دوره های طولانی تولید درهم تنیدگی سرد و پایدار بمانند و نیاز به وقفه های دوره ای خنک سازی مجدد را از بین ببرد، که می تواند به طور قابل توجهی نرخ درهم تنیدگی را کاهش دهد. در آزمایش‌های قبلی، یون‌ها باید پس از تعداد محدودی تلاش درهم‌تنیدگی به دلیل اثرات گرمایش پس‌زدگی فوتون، که گرمای خفیف ناشی از فشارها یا تکان‌های کوچکی است که اتم‌ها یا یون‌ها هنگام گسیل یا جذب ذرات نور احساس می‌کنند، دوباره گرفته شده و خنک شوند. این فرایند منجر به تاخیرهای وقت گیر و کاهش نرخ موفقیت شد. با سرد کردن مداوم یون ها با یون ایتربیوم به دام افتاده، تیم دوک توانست به نرخ تلاش پیوسته درهم تنیدگی 1 مگاهرتز و نرخ درهم تنیدگی یون-یون پایدار 250 حالت درهم تنیده در ثانیه دست یابد. این نشان دهنده بهبود قابل توجهی در حدود 37 درصد نسبت به رکوردهای قبلی است که در آن نرخ درهم تنیدگی به حدود 182 درهم تنیدگی در ثانیه محدود شده بود.

یافته های این تیم به آینده امیدوارکننده ای برای شبکه های کوانتومی مقیاس پذیر اشاره می کند. یکی از بزرگترین چالش ها در ساخت سیستم های کوانتومی در مقیاس بزرگ، اتصال کیوبیت های دور با درهمتنیدگی بالا و سرعت عملی است. درهم تنیدگی با واسطه فوتون یک راه حل پیشرو برای این مشکل است و آزمایش تیم دوک ممکن است یک قدم به پیاده سازی های عملی نزدیک تر باشد. این تیم با کاهش ناکارآمدی در جمع‌آوری فوتون و معرفی خنک‌سازی سمپاتیک برای حذف چرخه‌های خنک‌کننده اتلاف وقت، افزایش قابل‌توجهی در نرخ درهم‌تنیدگی نشان داد. به عنوان مثال، این می تواند راه را برای پیوند چندین گره کوانتومی در فواصل طولانی هموار کند که گامی ضروری به سوی توسعه کامپیوترهای کوانتومی و شبکه های ارتباطی در مقیاس بزرگ است. از نظر عملی، درهم تنیدگی با واسطه فوتون امکان توزیع حالت های درهم تنیده بین گره های کوانتومی را بدون نیاز به کیوبیت های متحرک فیزیکی فراهم می کند. این نه تنها تأخیر را کاهش می دهد، بلکه مقیاس پذیری سیستم های کوانتومی را نیز افزایش می دهد. محققان به کار قبلی اشاره کردند که نشان می‌داد چنین اتصالات مبتنی بر فوتون برای دستیابی به پتانسیل کامل محاسبات کوانتومی، امکان کنترل بر روی سیستم‌های کوانتومی بزرگ‌تر و افزایش بسیار زیاد قدرت محاسباتی ضروری است.

علیرغم موفقیت این آزمایش، محققان اذعان دارند که قبل از اینکه درهم تنیدگی با واسطه فوتون به طور گسترده در شبکه های کوانتومی عملی به کار گرفته شود، بهبودهای بیشتری لازم است. یکی از حوزه‌های تمرکز افزایش کارایی جمع‌آوری فوتون است، به طور بالقوه از طریق استفاده از کاواک‌های نوری یا سیستم‌های فوتونیکی یکپارچه. جهت امیدوارکننده دیگر استفاده از گونه های یونی جایگزین با نرخ انتشار فوتون بالاتر است. این تیم همچنین خاطرنشان کرد که استفاده از الکترونیک کنترل سریع‌تر می‌تواند تأخیر را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و نرخ رویدادهای درهم تنیدگی موفق را بیشتر افزایش دهد.

کار تیم دوک بینش‌های کلیدی را در مورد چالش‌ها و فرصت‌های ساخت این شبکه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر ارائه می‌دهد. توسعه مداوم فن‌آوری‌های شبکه‌های کوانتومی، مانند آنچه در این آزمایش نشان داده شد، در نهایت می‌تواند منجر به تحقق اینترنت کوانتومی طولانی مدت شود، جایی که اطلاعات با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی به طور ایمن و کارآمد منتقل می‌شود.

More information: O’Reilly, Jameson, George Toh, Isabella Goetting, Sagnik Saha, Mikhail Shalaev, Allison L. Carter, Andrew Risinger et al. "Fast Photon-Mediated Entanglement of Continuously Cooled Trapped Ions for Quantum Networking." Physical Review Letters 133, no. 9 (2024): 090802.