Ερευνητές στο University of Innsbruck δημιούργησαν ένα σύστημα στο οποίο μεμονωμένα qubits-που αποθηκεύονται σε παγιδευμένα ιόντα ασβεστίου- είναι το καθένα εμπλεκόμενο με ξεχωριστά φωτόνια. Επιδεικνύοντας αυτή τη μέθοδο για ένα μητρώο έως και 10 qubits, η ομάδα έδειξε μια εύκολα επεκτάσιμη προσέγγιση που ανοίγει νέες δυνατότητες για τη σύνδεση κβαντικών υπολογιστών και κβαντικών αισθητήρων.
Η εργασία δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters.
Κβαντικά δίκτυα
Τα κβαντικά δίκτυα συχνά περιγράφονται ως το μέλλον του διαδικτύου—αλλά αντί να μεταδίδουν κλασικές πληροφορίες σε bits, στέλνουν κβαντικές πληροφορίες που μεταφέρονται από φωτόνια. Αυτά τα δίκτυα θα μπορούσαν να επιτρέψουν υπερ-ασφαλή επικοινωνία, να συνδέσουν απομακρυσμένους κβαντικούς υπολογιστές σε μια ενιαία, εξαιρετικά ισχυρή μηχανή, και να δημιουργήσουν συστήματα ακριβούς μέτρησης που μπορούν να μετρούν τον χρόνο ή τις περιβαλλοντικές συνθήκες με πρωτοφανή ακρίβεια.
Για να καταστεί ένα τέτοιο δίκτυο δυνατό, χρειάζονται οι λεγόμενοι κόμβοι κβαντικού δικτύου—που μπορούν να αποθηκεύουν κβαντικές πληροφορίες και να τις μοιράζονται μέσω σωματιδίων φωτός. Στην τελευταία τους εργασία, η ομάδα του Innsbruck υπό την ηγεσία του Ben Lanyon στο Τμήμα Πειραματικής Φυσικής του University of Innsbruck επέδειξε έναν τέτοιο κόμβο χρησιμοποιώντας μια σειρά από 10 ιόντα ασβεστίου σε έναν πρωτότυπο κβαντικό υπολογιστή.
Η διαδικασία της εμπλοκής
Με προσεκτική ρύθμιση των ηλεκτρικών πεδίων, τα ιόντα μετακινούνταν ένα προς ένα μέσα σε μια οπτική κοιλότητα. Εκεί, ένας λεπτορυθμισμένος παλμός λέιζερ προκαλούσε την εκπομπή ενός μόνο φωτονίου του οποίου η πόλωση ήταν εμπλεγμένη με την κατάσταση του ιόντος.
Η διαδικασία δημιούργησε ένα ρεύμα φωτονίων, το καθένα συνδεδεμένο με ένα διαφορετικό ιοντικό qubit στο μητρώο. Στο μέλλον, τα φωτόνια θα μπορούσαν να ταξιδεύουν σε απομακρυσμένους κόμβους και να χρησιμοποιούνται για την εγκαθίδρυση εμπλοκής μεταξύ ξεχωριστών κβαντικών συσκευών. Οι ερευνητές πέτυχαν έναν μέσο βαθμό πιστότητας εμπλοκής ιόντος–φωτονίου 92%, ένα επίπεδο ακρίβειας που υπογραμμίζει την αξιοπιστία της μεθόδου τους.
«Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι η επεκτασιμότητά της», λέει ο Ben Lanyon.
«Ενώ προηγούμενα πειράματα κατάφεραν να συνδέσουν μόνο δύο ή τρία ιοντικά qubits με μεμονωμένα φωτόνια, η διάταξη του Innsbruck μπορεί να επεκταθεί σε πολύ μεγαλύτερα μητρώα, που πιθανόν να περιέχουν εκατοντάδες ιόντα και περισσότερα.»
Προοπτικές εφαρμογών
Αυτό ανοίγει τον δρόμο για τη σύνδεση ολόκληρων κβαντικών επεξεργαστών σε διαφορετικά εργαστήρια ή ακόμη και ηπείρους.
«Η μέθοδός μας είναι ένα βήμα προς την κατεύθυνση της κατασκευής μεγαλύτερων και πιο περίπλοκων κβαντικών δικτύων», λέει ο Marco Canteri, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
«Μας φέρνει πιο κοντά σε πρακτικές εφαρμογές όπως η κβαντικά ασφαλής επικοινωνία, η κατανεμημένη κβαντική υπολογιστική και η μεγάλης κλίμακας κατανεμημένη κβαντική ανίχνευση.»
Πέρα από τα δίκτυα, η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να προωθήσει τα οπτικά ατομικά ρολόγια, τα οποία μετρούν τον χρόνο με τόση ακρίβεια που θα έχαναν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο σε όλη τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος.
Τέτοια ρολόγια θα μπορούσαν να συνδεθούν μέσω κβαντικών δικτύων ώστε να σχηματίσουν ένα παγκόσμιο σύστημα χρονομέτρησης απαράμιλλης ακρίβειας.
Η εργασία δείχνει όχι μόνο ένα τεχνικό ορόσημο αλλά και ένα βασικό δομικό στοιχείο για την επόμενη γενιά κβαντικών τεχνολογιών.
Περισσότερες πληροφορίες: M. Canteri et al, Photon-Interfaced Ten-Qubit Register of Trapped Ions, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/v5k1-whwz
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ
