От силиция към квантовото превъзходство: квантови точки-излъчватели нарушават неравенството на Бел
По какъв метод учените основават заплетени фотони.
Ново изследване в Nature Physics показва един напълно нов способ за генериране на квантово усложнение благодарение на квантова точка, който нарушава неравенството на Бел. Този способ употребява свръхниски равнища на мощ и може да открие пътя към мащабируеми и ефикасни квантови технологии.
Квантовото усложнение е от значително значение за технологиите за квантови калкулации. При това събитие кубитите (квантовите битове) – градивните детайли на квантовите компютри – остават корелирани без значение от физическото им разстояние.
Това значи, че в случай че се мери свойството на единия кубит, то се отразява на другия. Квантовото усложнение се ревизира благодарение на неравенството на Бел – теорема, която ревизира валидността на квантовата механика посредством премерване на заплетените кубити.
Изданието Phys.org беседва с първия създател на проучването, доктор Шикай Лиу от Института „ Нилс Бор “ към Копенхагенския университет в Дания. Интересът на доктор Лиу към квантовите точки се дължи на предходната му работа с обичайните източници на усложнение.
Неравенството на Бел
В основата на това проучване е неравенството на Бел – математическо определение, създадено от физика Джон Стюарт Бел през 1964 година, което се употребява за разграничение на класическите и квантовите корелации. С него се ревизира дали следените корелации сред частиците могат да бъдат обяснени с класическата физика или изискват квантова механика.
В квантовия свят частиците могат да демонстрират корелации, които са по-силни, в сравнение с е допустимо в класическия свят. Неравенството на Бел дефинира един предел: в случай че корелациите надвишават този предел, тогава природата на корелациите е квантова, което демонстрира квантово усложнение.
Изследователите употребяват уравнението, с цел да потвърдят валидността на своя опит и да открият дали тяхната режисура води до квантово усложнение. Устройството се базира на квантови точки и вълноводи.
Изкуствени атоми върху чипа
Квантовите точки са наноструктури, които се държат като изкуствени атоми. По създание те са полупроводникови чипове, проектирани да улавят електрони в своята конструкция.
Чрез улавянето на електрони в едно малко пространство, те стартират да демонстрират количествени енергийни положения, тъкмо както при атомите. Затова се споделя, че квантовите точки се държат като изкуствени атоми.
Тези квантови точки работят като двустепенни системи, сходни на естествените атоми, само че с преимуществото да бъдат интегрирани в един чип. Освен това енергийните равнища могат да се настройват според от размера и състава на квантовата точка.
Системите от квантови точки могат да работят като излъчватели, което значи, че могат извънредно дейно да излъчват единични фотони. При избрани условия излъчените фотони могат да бъдат заплетени.
Вълноводното свързване
За да подобрят успеваемостта, кохерентността и стабилността на предаваните фотони от квантовата точка, откривателите я свързват с вълновод от фотонен кристал.
Тези материали имат периодическа конструкция от редуващи се материали с висок и невисок коефициент на изкривяване. Това дава опция за ориентиране на светлината през тръбна конструкция, която е тънка колкото човешки косъм.
Вълноводите дават опция да се управлява и манипулира разпространяването на светлината във връзка с посоката и дължината на вълната, като по този метод се усъвършенства взаимоотношението на светлината с материята.
Постигането на ефикасна връзка сред вълновода и квантовата точка обаче съставлява доста предизвикателство.
„ За да подобрим взаимоотношението на светлината с материята, ние изработихме вълновод от фотонни кристали, който обезпечава мощно ограничение на квантовата точка “, изяснява доктор Лиу. „ Това освен докара до висока успеваемост на свързване на предаваната светлина с вълновода (повече от 90%), само че също по този начин 16 пъти усъвършенства резултата на Пърсел посредством закъснение на светлината в наноструктурата и увеличение на времето й за взаимоотношение с квантовата точка. “
Усилването на резултата на Пърсел се отнася до явлението, при което скоростта на спонтанното лъчение на квантов излъчвател (например квантова точка) се усилва, когато той е подложен в резонансна оптична празнина или наоколо до структурирана фотонна среда.
Казано по-просто, усилването на резултата на Пърсел усилва излъчването на светлина от квантовите излъчватели посредством слагането им в среда, която ускорява взаимоотношението им със светлината. Това става посредством смяна на броя на другите способи за лъчение на светлина в региона към излъчвателя.
Нарушаване на неравенството на Бел
Екипът се сблъска и с бързата декохерентност (бърза загуба на кохерентност), породена от топлинните трептения в кристалната решетка. Тези трептения нарушават постоянните квантови положения на частиците, което затруднява поддържането и точното премерване на техните квантови свойства.
Решението им е да охладят чипа до -269 °C, с цел да сведат до най-малко нежеланите взаимоотношения сред квантовата точка и фононите в полупроводниковия материал.
След като основават система с двустепенни излъчватели за приемане на заплетени фотони, откривателите употребяват два асиметрични интерферометъра на Мах-Зендер, с цел да извършат тест за неравноправие на Бел CHSH (Clauser-Horn-Shimony-Holt). CHSH е форма на неравенството на Бел.
Чрез деликатно контролиране на етапите на интерферометъра откривателите мерят интерференцията на Франсон сред излъчените фотони. Интерференцията на Франсон е тип интерференчен модел, следен при опити в квантовата оптика, включващи заплетени фотони.
„ Наблюдаваната стойност на параметъра S при нашите измервания беше 2,67 ± 0,16, което е много над границата на локалност от 2. Този резултат удостовери нарушаването на неравенството на Бел, като по този метод удостовери положението на енергийно-времевото усложнение, основано посредством нашия способ “,.
каза доктор Лиу
Това нарушаване е значимо, тъй като удостоверява квантовата природа на корелациите сред фотоните.
Енергийна успеваемост и бъдеще
Една от изключителните характерности на тяхната система с двустепенни излъчватели е нейната енергийна успеваемост.
Заплитането е генерирано при мощ на напомпване едвам 7,2 пиковата, което е към 1000 пъти по-малко от обичайните източници на единични фотони. Тази свръхниска мощ, съчетана с интеграцията в чипа, прави метода извънредно преуспяващ за практическите квантови технологии.
Д-р Лиу вижда няколко вълнуващи насоки за бъдещи проучвания:
„ Една от посоките е да се изследват комплицираните фотонни квантови положения и взаимоотношенията сред доста частици посредством нееластично разпръскване върху голям брой двустепенни излъчватели. Освен това по-нататъшното консолидиране на нашия способ в съвместими фотонни вериги ще даде опция за повече функционалност при дребни размери, което ще усъвършенства универсалните фотонни квантови приложения, в това число калкулации, връзки и датчици. “
