Ερευνητές του Πανεπιστημίου Princeton πέτυχαν ένα σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη κλιμακούμενων κβαντικών δικτύων, παρουσιάζοντας για πρώτη φορά τον ακριβή οπτικό και κβαντικό έλεγχο δύο αλληλεπιδρώντων ιόντων ερβίου (Er³⁺) και ενός γειτονικού πυρηνικού σπιν μέσα σε έναν κρύσταλλο.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, δείχνει ότι τα ιόντα σπάνιων γαιών θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για μελλοντικά κβαντικά δίκτυα, αξιοποιώντας παράλληλα τις υπάρχουσες τηλεπικοινωνιακές υποδομές οπτικών ινών.
Πώς λειτουργεί το νέο σύστημα
Τα κβαντικά δίκτυα βασίζονται σε qubits, τις βασικές μονάδες κβαντικής πληροφορίας, οι οποίες μπορούν να αποθηκεύουν και να επεξεργάζονται δεδομένα με τρόπους αδύνατους για τους κλασικούς υπολογιστές.
Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες αξιοποίησαν δύο ιόντα ερβίου που βρίσκονταν σε απόσταση λίγων μόνο νανομέτρων μεταξύ τους. Χάρη στις ελαφρώς διαφορετικές οπτικές και μαγνητικές συχνότητές τους, κατάφεραν να τα αναγνωρίζουν και να τα ελέγχουν ξεχωριστά με παλμούς λέιζερ.
Παράλληλα, χρησιμοποίησαν ένα γειτονικό πυρηνικό σπιν ως βοηθητικό qubit, δημιουργώντας ένα μικρό αλλά λειτουργικό κβαντικό σύστημα.
Επιτυχής έλεγχος πολλαπλών qubits
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν βασικές κβαντικές λειτουργίες μεταξύ των δύο ηλεκτρονικών σπιν, καθώς και μεταξύ ηλεκτρονικών και πυρηνικών σπιν.
Επιπλέον, κατάφεραν να αποθηκεύσουν και να ανακτήσουν κβαντική πληροφορία σε έναν πυρηνικό σπιν, ο οποίος διατήρησε τη συνοχή του για περίπου ένα δευτερόλεπτο. Το σημαντικότερο είναι ότι αυτή η «κβαντική μνήμη» παρέμεινε σταθερή ακόμη και μετά από επαναλαμβανόμενες οπτικές διεγέρσεις και μετρήσεις, κάτι που θεωρείται απαραίτητο για προηγμένες λειτουργίες όπως η ανταλλαγή και η βελτίωση της κβαντικής διεμπλοκής.
Συμβατότητα με τα σημερινά δίκτυα οπτικών ινών
Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των ιόντων ερβίου είναι ότι οι οπτικές μεταβάσεις τους πραγματοποιούνται στη ζώνη των τηλεπικοινωνιών, περίπου στα 1,5 μικρόμετρα. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να λειτουργήσουν με τις υπάρχουσες οπτικές ίνες, χωρίς να απαιτείται η ανάπτυξη εντελώς νέων υποδομών.
Η δυνατότητα αυτή θα μπορούσε να επιταχύνει σημαντικά την ανάπτυξη μεγάλων κβαντικών δικτύων και επαναληπτών κβαντικής επικοινωνίας, που θα επιτρέπουν την ασφαλή μεταφορά κβαντικής πληροφορίας σε μεγάλες αποστάσεις.
Το επόμενο βήμα της έρευνας
Η παρούσα εργασία αποτελεί μια πρώτη απόδειξη της τεχνολογίας, καθώς περιλαμβάνει δύο ηλεκτρονικά σπιν και ένα βοηθητικό πυρηνικό qubit. Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να δημιουργήσει μεγαλύτερα σύνολα αλληλεπιδρώντων ιόντων ερβίου, βελτιώνοντας παράλληλα τη συνοχή των ηλεκτρονικών σπιν, ώστε να αυξηθεί η αξιοπιστία των κβαντικών πυλών.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι ο συνδυασμός αυτής της τεχνολογίας με προηγούμενες επιτυχίες στην κβαντική διεμπλοκή μέσω οπτικών ινών θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για μεγάλης κλίμακας κβαντικά δίκτυα και ασφαλείς κβαντικές επικοινωνίες του μέλλοντος.