Дефекты в алмазах могут обеспечить идеальный интерфейс для квантовых компьютеров
Дефекты в алмазах — атомные дефекты, в которых углерод заменен азотом или другим элементом — могут предложить интерфейс, близкий к идеальному, для квантовых вычислений, предлагаемого обмена данными, который обещает быть более быстрым и безопасным, чем существующие методы.
Однако есть одна серьезная проблема: эти недостатки, известные как центры вакансий азота в алмазе, управляются магнитным полем, которое несовместимо с существующими квантовыми устройствами. Представьте себе попытку подключить персональный компьютер, разработанный в 1974 году, к Интернету через Wi-Fi. Это сложная, но не невыполнимая задача. Две технологии говорят на разных языках, поэтому первым делом нужно помочь с переводом.
Исследователи из Йокогамского национального университета разработали интерфейсный подход для управления центрами вакансий азота в алмазе таким образом, чтобы обеспечить прямую трансляцию в квантовые устройства.
«Для реализации квантового Интернета требуется квантовый интерфейс для создания удаленной квантовой запутанности с помощью фотонов, которые являются квантовой коммуникационной средой», — сказал автор Хидео Косака, профессор Центра исследований квантовой информации Института перспективных наук в Йокогамском национальном университете».
Обещанный квантовый Интернет уходит корнями в более чем столетнюю работу, в ходе которой исследователи определили, что фотоны являются одновременно частицами и волнами света, и что их волновое состояние может раскрывать информацию о состоянии их частиц и наоборот. Более того, два состояния могли влиять друг на друга. Их природа запутана даже на огромных расстояниях. Цель состоит в том, чтобы контролировать запутанность для мгновенной и безопасной передачи данных.
Предыдущие исследования продемонстрировали, что это управляемое запутывание может быть достигнуто путем приложения магнитного поля к центрам вакансий азота, но подход немагнитного поля необходим, чтобы приблизиться к реализации квантового Интернета.
В нынешнем исследовании команда ученых успешно использовала микроволновые и световые поляризованные волны, чтобы запутать излучаемый фотон и левые спиновые кубиты, квантовый эквивалент информационных битов в классических системах. Эти поляризации представляют собой волны, которые движутся перпендикулярно исходному источнику, как сейсмические волны, исходящие горизонтально из вертикального сдвига разлома.
В квантовой механике спиновое свойство — правостороннее или левостороннее — фотона определяет, как движется поляризация, а это означает, что оно предсказуемо и управляемо. По словам ученых, критически важно, что при создании запутанности через это свойство в немагнитном поле связь оказывается устойчивой по отношению к другим переменным.
«Геометрическая природа поляризаций позволяет нам создавать удаленную квантовую запутанность, устойчивую к шумам и ошибкам синхронизации», — сказал Хидео Косака.
По словам Косаки, его команда объединит этот подход с ранее продемонстрированной передачей квантовой информации посредством телепортации, чтобы создать квантовую запутанность и, как следствие, обмен информацией между удаленными точками. Конечная цель состоит в том, чтобы упростить объединенную сеть квантовых компьютеров для создания квантового Интернета.
«Реализация квантового Интернета сделает возможными квантовую криптографию, распределенные квантовые вычисления и квантовое зондирование на больших расстояниях, превышающих 1000 километров», — сказал Хидео Косака.
Исследование было опубликовано в журнале Communications Physics.