Возможно создание квантового интернета через стандартное оптоволокно

Международная группа ученых во главе с исследователями Университета Гронингена создала квантовые биты, которые испускают фотоны, описывающие их состояние на длинах волн, близких к используемым телекоммуникационными провайдерами. Эти кубиты основаны на карбиде кремния в котором примеси молибдена создают центры цвета. Результаты были опубликованы в журнале Quantum Information.

Используя такие явления, как суперпозиция и запутанность, квантовые вычисления и квантовая связь обещают превосходные вычислительные мощности и нерушимую криптографию. Сообщалось о нескольких успехах в передаче этих квантовых явлений через оптические волокна, но на длинах волн, которые несовместимы со стандартными волокнами, которые в настоящее время используются во всемирной передаче данных.

Физики из Университета Гронингена в Нидерландах вместе с коллегами из Университета Линчепинга и полупроводниковой компании Norstel AB в Швеции сообщили о разработке кубита, который передает информацию о своем состоянии на длине волны 1100 нанометров. Кроме того, механизм может быть настроен на длинах волн вблизи тех, что используются в передаче данных (около 1300 или 1500 Нм).

Работа началась с дефектов в кристаллах углерода кремния. Карбид кремния является полупроводником, и была проделана большая работа по предотвращению примесей, которые влияют на свойства кристаллов. В результате появляется огромная библиотека примесей и их влияние на кристалл. Но эти примеси могут образовывать так называемые центры цвета, которые реагируют на свет определенной длины волны.

Когда лазеры светят на эти центры окраски, электроны во внешней оболочке атомов молибдена в кристаллах карбида кремния выходят на более высокий энергетический уровень. Когда они возвращаются в основное состояние, они излучают свою избыточную энергию как фотон. «Для примесей молибдена это будут инфракрасные фотоны с длиной волны вблизи тех, которые используются в передаче данных», — объясняют исследователи.

Этот материал стал отправной точкой для построения кубитов. «Мы использовали метод, называемый когерентным захватом популяции, чтобы создать суперпозицию в центрах цветов». Этот эксплуатируемый спин, квантовомеханическое явление, которое дает электронам магнитный момент, который может указывать вверх или вниз. Это создает кубит, в котором спиновые состояния представляют 0 или 1.»

«Если вы применяете магнитное поле, спины выравниваются либо параллельно, либо антипараллельно магнитному полю. Интересно, что в результате основное состояние электронов со спином вверх или спина немного отличается».

Когда лазерный свет используется для возбуждения электронов, они впоследствии возвращаются к одному из двух основных состояний. Команда, возглавляемая профессором по физике Каспаром ван дер Валом, использовала два лазера, каждый из которых настроен для перемещения электронов из одного из основных состояний на один и тот же уровень возбуждения, чтобы создать ситуацию, при которой суперпозиция обоих состояний спина изменялась в цветовом центре.

«После некоторой тонкой настройки нам удалось создать кубит, в котором у нас была долговременная суперпозиция в сочетании с быстрым переключением» — говорят ученые.

Кроме того, кубит излучал фотоны с информацией о квантовом состоянии на инфракрасных длинах волн. Учитывая большую библиотеку примесей, которые могут создавать цветовые центры в кристаллах карбида кремния, команда исследователей уверена, что они могут довести эту длину волны до уровней, используемых в стандартных оптических волокнах. Если они смогут справиться с этим и создать еще более стабильную (и, следовательно, более продолжительную) суперпозицию, квантовый интернет будет намного ближе к реальности.

Tom Bosma et al, Identification and tunable optical coherent control of transition-metal spins in silicon carbide, npj Quantum Information (2018). DOI: 10.1038/s41534-018-0097-8