O szczegółach swoich dokonań naukowcy piszą na łamach Nature. To, co udało im się do tej pory zrobić, będzie niezwykle istotne dla obliczeń kwantowych, komunikacji i sieci. Zacznijmy jednak od postaw przeprowadzonych niedawno badań.
Czytaj też: Nadprzewodnictwo w okolicznościach życia codziennego. Ale czy to przełom, na który czekaliśmy?
Kluczową rolę w komunikacji odgrywają fotony, choć odmienne technologie wykorzystują je na różnych częstotliwościach. Obliczenia kwantowe opierają się na kubitach nadprzewodzących, mogących przechowywać informacje kwantowe w fotonach poruszających się z częstotliwościami mikrofalowymi. Gdyby jednak naszym celem było stworzenie sieci kwantowej, to nie możemy w tym celu skorzystać z fotonów mikrofalowych.
I choć technologie spotykane na każdym kroku w codziennym życiu, choćby systemy GPS, wykorzystują mikrofalowe częstotliwości światła, to w odniesieniu do komunikacji kwantowej sprawy mają się zupełnie inaczej. Dlaczego? Wszystko ze względu na fakt, iż potrzebna informacja kwantowa znajduje się w pojedynczym fotonie. Przy częstotliwościach mikrofalowych taka informacja zostanie zakłócona przez szum otoczenia.
Przenosząc informację kwantową do fotonu o wyższej częstotliwości, bardziej odpornego na zakłócenia, można uniknąć tych problemów. Niestety, informacji nie da się przenieść bezpośrednio z fotonu na foton, a naukowcy postanowili przekonać się, czy odpowiedzią na pojawiające się trudności mogą być atomy.
Tłumacz dla technologii kwantowych powinien ułatwić rozwój komputerów kwantowych czy zegarów atomowych
Wchodzące w ich skład elektrony mogą mieć tylko określone ilości energii, a gdy elektron znajduje się na niższym poziomie energetycznym, to za pośrednictwem fotonu można go wzbudzić do wyższego poziomu. Energia rzeczonego fotonu musi jednak dokładnie odpowiadać różnicy między wyższym a niższym poziomem energetycznym. Kiedy natomiast elektron ma obniżyć swój poziom energetyczny, potrzebny jest foton o energii odpowiadającej różnicy energii między poziomami energetycznymi.
Kluczem do sukcesu wydają się atomy rubidu. Autorzy publikacji wykorzystali lasery do przesuwania energii elektronów, co z kolei pozwoliło atomowi absorbować foton mikrofalowy z informacją kwantową, by później emitować foton optyczny z tą informacją. Proces takiego tłumaczenia, zachodzący między różnymi trybami informacji kwantowej, określa się mianem transdukcji.
Naukowcy umieszczają fotony w nadprzewodzącej, refleksyjnej komorze, gdzie odbijają się one od otoczenia, co wzmacnia interakcję między fotonem a tamtejszą materią. Wewnątrz znajdują się także tunele, za sprawą których fotony bądź atomy mogą zostać uwięzione. W konsekwencji da się zarówno przenosić informacje kwantowe z fotonów mikrofalowych na fotony optyczne, jak i odwrotnie.
Czytaj też: Gdzie się podziewa energia w turbulencji kwantowej? Naukowcy na tropie rozwiązania wieloletniej zagadki
Daje to możliwość wykorzystania takich rozwiązań do stworzenia połączenia między dwoma nadprzewodzącymi kubitowymi komputerami kwantowymi i wykorzystania jako podstawowego elementu tworzącego kwantowy internet. Potencjalnych zastosowań jest nawet więcej. Mówi się choćby o zaawansowanych komputerach, symulacjach czy zegarach atomowych.
