Использование квантовых свойств света для передачи информации
Исследователи из Университета Рочестера и Корнельского университета сделали важный шаг к развитию сети связи, которая обменивается информацией на большие расстояния с помощью фотонов, безмассовых квантов света, которые являются ключевыми элементами квантовых вычислений и систем квантовой связи.
Исследовательская группа разработала наноразмерный узел из магнитных и полупроводниковых материалов, который может взаимодействовать с другими узлами, используя лазерный свет для излучения и приема фотонов.
Разработка такой квантовой сети, предназначенной для использования физических свойств света и материи, характеризуемых квантовой механикой, обещает более быстрые и эффективные способы связи, вычислений и обнаружения объектов и материалов по сравнению с сетями, которые в настоящее время используются для вычислений и коммуникации.
Описанный в журнале Nature Communications, узел состоит из массива столбов (опор) высотой всего 120 нанометров. Столбы являются частью платформы, содержащей атомарно тонкие слои полупроводников и магнитных материалов.
Массив спроектирован так, что каждый столб служит маркером местоположения для квантового состояния, которое может взаимодействовать с фотонами, а связанные фотоны могут потенциально взаимодействовать с другими местоположениями на устройстве — и с аналогичными массивами в других местоположениях.
Этот потенциал для соединения квантовых узлов через удаленную сеть основан на концепции запутанности, феномена квантовой механики, который на самом базовом уровне описывает, как свойства частиц связаны на субатомном уровне.
«Это начало создания своего рода регистра, если хотите, где различные пространственные точки могут хранить информацию и взаимодействовать с фотонами», — говорит Ник Вамивакас, профессор квантовой физики в Рочестере.
Этот проект основан на работе, проделанной его лабораторией в последние годы с использованием диселенида вольфрама (WSe2) в так называемых гетероструктурах Ван-дер-Ваальса. В этой работе используются слои атомно тонких материалов друг на друге для создания или захвата одиночных фотонов.
В новом устройстве используется новое расположение WSe2, нанесенного на опоры, с нижележащим высокореактивным слоем трийодида хрома (CrI3). Там, где соприкасаются атомно тонкие слои с площадью 12 микрон, CrI3 передает электрический заряд WSe2, создавая «дыру» рядом с каждой из опор.
В квантовой физике дыра характеризуется отсутствием электрона. Каждая положительно заряженная дыра также имеет двойное магнитное свойство север / юг, связанное с ней, так что каждая из них также является наномагнитом.
Когда устройство освещается лазерным светом, происходят дальнейшие реакции, превращающие наномагнетики в отдельные оптически активные спиновые массивы, которые излучают и взаимодействуют с фотонами. В то время как классическая обработка информации имеет дело с битами, значение которых равно нулю или единице, спиновые состояния могут кодировать как ноль, так и единицу одновременно, расширяя возможности обработки информации.
«Возможность контролировать ориентацию вращения отверстия с помощью ультратонкого CrI3 устраняет необходимость в использовании внешних магнитных полей гигантских магнитных катушек, подобных тем, которые используются в системах МРТ», — говорят исследователи. «Это будет иметь большое значение для миниатюризации квантового компьютера на основе спинов отдельных дыр».
Arunabh Mukherjee et al. Observation of site-controlled localized charged excitons in CrI3/WSe2 heterostructures, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19262-2