Финальный этап на пути к квантовому интернету: кубит без изоляции

Исследователи создали новый тип молекулярного кубита. Он может стать основой для квантовых сетей, работающих на базе существующих телекоммуникационных систем. Потенциально, эта технология открывает путь к сверхзащищённому квантовому интернету

Ключевым компонентом разработки стал эрбий. Его оптические и магнитные свойства позволяют передавать квантовую информацию на тех же длинах волн, что и современные волоконно-оптические системы. Это делает кубит на основе эрбия идеальным для интеграции в кремниевые чипы. В результате создаются более компактные и интегрированные квантовые устройства. Исследование, опубликованное 2 октября в журнале Science, называет эту разработку перспективным элементом для масштабируемых квантовых технологий. Среди них — защищенные каналы связи и распределенные вычислительные сети.

Работа над квантовым интернетом продолжается. Недавно ученые продемонстрировали прототип чипа, который передает квантовые сигналы по реальным оптоволоконным линиям. Цель нового исследования — создать кубит, эффективно функционирующий в таких системах.

Дэвид Ошалом из Чикагского университета отмечает, что кубит на основе эрбия универсален. Он может напрямую подключаться к современным оптическим сетям.

Кубиты, квантовый аналог классических битов, подчиняются законам квантовой механики. В отличие от классических битов, которые могут быть только нулем или единицей, квантовые кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно. В квантовых вычислениях используются разные типы кубитов: сверхпроводниковые схемы, ионы в ловушках, фотоны. Молекулярные кубиты основаны на редкоземельных металлах, где квантовое состояние определяется спином электрона.

Новый кубит на основе эрбия объединяет свойства спинового и фотонного кубитов. Он сохраняет информацию в магнитном состоянии и считывается с помощью оптических сигналов. В эксперименте ученые показали, что спин атома эрбия можно перевести в контролируемую суперпозицию. Изменение спина влияет на длину волны света. Это позволяет считывать квантовое состояние стандартными оптическими методами.

Авторы сравнивают этот кубит с миниатюризированным мостом между магнетизмом и оптикой. Информация кодируется в магнитном состоянии и извлекается с помощью света, совместимого с существующими волоконными сетями и кремниевой оптикой.

Работа в оптическом диапазоне имеет два важных преимущества. Во-первых, сигналы на таких длинах волн проходят большие расстояния с минимальными потерями. Это важно для передачи квантовых данных по оптическим волокнам. Во-вторых, свет в этом диапазоне легко проходит через кремний, не теряя информации. Это делает эрбиевые кубиты подходящими для интеграции в чипы с фотонными компонентами под поверхностью материала.

Ошалом подчеркивает, что масштабируемость — еще одно важное преимущество технологии. Каждый кубит — это отдельная молекула, в десятки тысяч раз меньшая толщины человеческого волоса. Синтетические методы позволяют настраивать свойства молекул. Это открывает возможности их интеграции в различные среды — от твердотельных устройств до живых клеток. Это может решить одну из главных проблем квантовых вычислений — совместимость с существующей инфраструктурой.

Исследователи считают, что интеграция кубитов в чипы станет важным шагом к созданию масштабируемых квантовых систем. Сейчас команда работает над внедрением молекулярных кубитов в интегрированные устройства. Они надеются, что это откроет новые возможности для управления, считывания и связывания квантовых элементов.

Источник: vk.com

Комментарии: