Kryształ używany do przechowywania qubitów fotonicznych i oświetlany laserem w kriostacie - przyrządzie służącym do uzyskiwania temperatur kriogenicznych

Kubity przetrwały 20 milisekund! To nowy rekord świata

Naukowcy z Uniwersytetu Genewskiego dokonali przełomu w rozwoju komputerów kwantowych. Udało się im przechować kubity przez rekordowe 20 milisekund!

Komputery kwantowe to przyszłość, jest jednak z nimi jeden poważny problem. Po przebyciu kilkuset kilometrów w światłowodzie, fotony przenoszące kubity (bity kwantowe), czyli de facto „informację”, znikają. Dlatego potrzebne są tzw. repeatery, czyli specjalne przekaźniki, które opierają się na pamięci kwantowej.

Teraz fizycy z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) poczynili ogromne postępy w rozwoju długodystansowych kwantowych sieci telekomunikacyjnych. Ustanowili rekord świata przechowująć kubity w krysztale („pamięci”) przez 20 milisekund. O szczegółach można przeczytać w czasopiśmie Quantum Information.

Jak zapamiętać sygnał?

Wielu ekspertów duże nadzieje wiążę z rozwojem kryptografii kwantowej, która daje gwarancję wysokiej autentyczności i poufności informacji, gdy jest przesyłana za pomocą fotonów w światłowodzie. Dzięki zjawisku superpozycji można natychmiast stwierdzić, czy foton (informacja) został przechwycony przez odbiorcę.

Istnieje jednak pewien problem z telekomunikacją kwantową na dużych odleglościach. Po przesłaniu informacji na kilkaset kilometrów, fotony giną, a sygnał zanika. Zostaje utracony stan kwantowy, który gwarantuje poufność sygnału (nie można go skopiować). Z pomocą przychodzą tzw. repeatery.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

W 2015 r. zespół kierowany przez Mikaela Afzeliusa z UNIGE przechowywał w krysztale („pamięci”) kubit przenoszony przez foton przez 0,5 ms (milisekundy). Pozwoliło to na przeniesienie stanu kwantowego do atomów kryształu, przed zniknięciem. Zjawisko to nie trwało jednak na tyle długo, by można było zbudować sieć pamięci, co jest konieczne do stworzenia funkcjonalnej telekomunikacji kwantowej.

Teraz zespół Afzeliusa znacznie wydłużył ten czas, przechowując kubit przez 20 milisekund.

Jest to rekord świata dla pamięci kwantowej opartej na układzie półprzewodnikowym, w tym przypadku na krysztale. Udało nam się nawet osiągnąć granicę 100 milisekund przy niewielkiej utracie wierności.

Mikael Afzelius

Fizycy wykorzystali kryształy z domieszkami metali ziem rzadkich (tu konkretnie użyto europu), które mogą pochłaniać światło, a następnie dalej je emitować. Kryształy przechowywano w temperaturze -273,15oC.

Przyłożyliśmy do kryształu niewielkie pole magnetyczne o natężeniu jednej tysięcznej Tesli i zastosowaliśmy metody dynamicznego rozłączania, polegające na wysyłaniu do kryształu intensywnych częstotliwości radiowych. Efektem tych technik jest uniezależnienie jonów pierwiastków ziem rzadkich od zaburzeń w otoczeniu i zwiększenie znanej nam do tej pory wydajności pamięci prawie 40 razy.

Antonio Ortu z UNIGE

Wyniki tych badań stanowią istotny postęp w rozwoju długodystansowych kwantowych sieci telekomunikacyjnych. Umożliwiają również przechowywanie stanu kwantowego przenoszonego przez foton w skali czasowej możliwej do oszacowania przez człowieka. Do komercjalizacji technologii droga jeszcze daleka – istnieją techniczne przeszkody uniemożliwiające wyjście poza 100 ms czasu przechowywania kubitu, ale jak przyznają fizycy z UNIGE, „da się je pokonać”.