Badanie zespołu z Oksfordu trafiło na łamy Physical Review Letters i dotyczy jednego z kluczowych problemów współczesnych technologii kwantowych: jak połączyć odległe układy kwantowe i utrzymać ich wzajemne powiązanie wystarczająco długo, by można było je praktycznie wykorzystać?
Czytaj też: Ograniczenia prędkości ich nie obowiązują. Fizycy poznali nieznany aspekt nadprzewodników
Naukowcy zastosowali dwa rodzaje jonów: strontu-88 oraz wapnia-43. Umieścili je w dwóch oddzielnych modułach sieci, a następnie wykorzystali światło do ustanowienia splątania między jonami strontu. Kolejne operacje kwantowe pozwoliły przenieść ten stan również na jony wapnia. Wybór dwóch różnych pierwiastków nie był przypadkowy. Każdy z nich pełnił inną funkcję. Stront służył jako interfejs umożliwiający nawiązywanie połączeń za pomocą fotonów, czyli cząstek światła. Wapń posłużył natomiast za pamięć kwantową, w której można przechowywać informacje o znacznie większej odporności na zakłócenia magnetyczne. Takie rozwiązanie pozwala wykorzystać zalety obu pierwiastków zamiast próbować osiągnąć wszystkie wymagane właściwości za pomocą jednego rodzaju atomów.
Jednym z najważniejszych rezultatów eksperymentu było utrzymanie splątania w kubitach pamięciowych przez ponad 10 sekund. Wcześniej, na etapie tworzenia połączenia kwantowego, proces ten trwał znacznie krócej – zwykle w czasie liczonym w milisekundach. W świecie technologii kwantowych taka różnica ma duże znaczenie. Stany kwantowe są niezwykle wrażliwe na oddziaływanie otoczenia, w tym zakłócenia magnetyczne i niepożądane interakcje z promieniowaniem. Prowadzą one do dekoherencji, a więc utraty właściwości niezbędnych do wykorzystania informacji kwantowej.
Jony wapnia są pod tym względem szczególnie przydatne. Odpowiednio dobrane stany kwantowe tego izotopu wykazują znacznie mniejszą wrażliwość na zmiany pola magnetycznego niż stany wykorzystywane do komunikacji za pośrednictwem strontu. Przeniesienie splątania na wapń pozwoliło więc oddzielić etap nawiązywania połączenia od etapu przechowywania informacji. Jak wynika z ostatnich doniesień, czas przechowywania był ponad stukrotnie dłuższy niż ten potrzebny do utworzenia stanu.
Badacze nie ograniczyli się do splątania pojedynczej pary cząstek. Zademonstrowali również stany obejmujące trzy i cztery kubity, w tym tzw. stany GHZ, nazwane od nazwisk fizyków Greenbergera, Horne’a i Zeilingera. W takowych właściwości kilku kubitów są powiązane w sposób, którego nie da się opisać jako zwykłej sumy niezależnych relacji między parami. To istotny element eksperymentów nad rozbudowanymi systemami kwantowymi, w których wiele elementów musi współdziałać ze sobą jednocześnie.
Czytaj też: Kwantowa siła poruszyła diamentem. Fizycy polują na kota Schrödingera
Pokazanie, że można tworzyć takie stany z wykorzystaniem różnych pierwiastków w oddzielnych modułach, stanowi ważny krok w kierunku skalowania sieci kwantowych. W kontekście praktycznych zastosowań opracowanej technologii należy wymienić chociażby rozproszone komputery kwantowe. Zamiast budować pojedynczy procesor zawierający wszystkie kubity, można byłoby łączyć mniejsze urządzenia w sieć i koordynować ich działanie za pomocą splątania.
Długotrwała pamięć kwantowa mogłaby zapewnić poszczególnym modułom czas potrzebny na wykonanie operacji i wymianę informacji z innymi częściami systemu. Podobne rozwiązania powinny w przyszłości znaleźć zastosowanie w komunikacji kwantowej oraz czujnikach pozwalających wykonywać bardzo precyzyjne pomiary na odległość. Badacze wskazują również na możliwość porównywania sygnałów z odległych zegarów atomowych, co mogłoby wspierać rozwój jeszcze dokładniejszych metod pomiaru czasu.
Źródło: Physical Review Letters
