Андреас Грич работает над экспериментальной установкой. Авторы и права: Т. Насер, MPQ.

Группа исследователей из MPQ впервые интегрировала атомы эрбия с особыми оптическими свойствами в кристалл кремния. Таким образом, атомы могут быть связаны светом с длиной волны, которая обычно используется в телекоммуникациях. Это делает их идеальными строительными блоками для будущих квантовых сетей, которые позволяют выполнять вычисления с несколькими квантовыми компьютерами, а также безопасный обмен данными в квантовом Интернете. Поскольку новые экспериментальные результаты были получены без сложного охлаждения и основаны на установленных методах производства полупроводников, этот метод кажется подходящим для больших сетей.

Когда квантовые компьютеры подключаются к сети, возникают совершенно новые возможности — по аналогии с Интернетом, состоящим из взаимосвязанных классических компьютеров. Такую квантовую сеть можно реализовать, запутав отдельные носители квантовой информации, так называемые кубиты, друг с другом с помощью света.

Кубиты, в свою очередь, могут быть построены из отдельных атомов, изолированных друг от друга и встроенных в основной кристалл. Группа исследователей из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге и Технического университета Мюнхена продемонстрировала реальный способ построения квантовой сети с использованием атомов в кристалле кремния . Это означает, что та же технология, что и в классических компьютерах, может быть использована и для квантовых компьютеров и их сетей.

Их работа опубликована в Physical Review X.

Низкие потери и сильная когерентность

Новая технология основана на атомах эрбия, имплантированных в кристаллическую решетку кремния в очень специфических условиях. «Из более ранних экспериментов мы знали, что эрбий обладает хорошими оптическими свойствами для такого применения», — говорит доктор Андреас Рейзерер, глава исследовательской группы Otto Hahn Quantum Networks в MPQ: Атомы этого редкоземельного элемента излучают инфракрасный свет на длине волны около 1550 нанометров — спектральный диапазон, используемый для передачи данных в оптоволоконных кабелях. Он демонстрирует только низкие потери при распространении в светопроводящем волокне.

«Кроме того, свет, излучаемый эрбием, обладает превосходной когерентностью», — отмечает Райзерер. Это означает, что отдельные последовательности волн находятся в стабильном фазовом отношении друг к другу — необходимое условие для хранения и передачи квантовой информации. «Эти характеристики делают эрбий главным кандидатом для создания квантового компьютера или для использования в качестве носителя информации в квантовой сети», — говорит Рейзерер.

Однако то, что может показаться простым, поставило перед исследователями MPQ сложную технологическую задачу. Среди прочего, команда должна была встраивать отдельные атомы редкоземельного элемента в кристаллическую матрицу целенаправленным и воспроизводимым образом — и фиксировать их в определенных положениях относительно атомов кремния. «Мы выбрали для этого кремний, потому что он уже используется в классических полупроводниках, составляющих основу нашего информационного общества», — объясняет физик. «Для получения кристаллов кремния высокого качества и чистоты доступны установленные процессы».

Умеренные температуры, узкие спектральные линии

Чтобы интегрировать атомы эрбия в такой кристалл — на техническом жаргоне, легировать его — его сначала нужно было наделить нанометровой структурой. Они служат светопроводящими элементами. Затем исследователи облучили кремний пучком ионов эрбия, чтобы отдельные атомы проникли и разошлись в разные места при высоких температурах. «В отличие от обычной процедуры, мы нагревали чипы не до 1000, а максимум до 500 градусов по Цельсию», — говорит Андреас Грич, аспирант команды.

Следствием сравнительно умеренной температуры была особенно стабильная интеграция отдельных атомов эрбия в кристаллическую решетку без группировки большего числа атомов. «Это проявилось в необычно узких спектральных линиях в излучении инфракрасного света эрбием», — сообщает Грич: около 10 кГц, что является наименьшей шириной спектральной линии, измеренной на сегодняшний день в наноструктурах. «Это также благоприятное свойство для построения квантовой сети», — говорит исследователь.

И еще одна особенность, отличающая оптимизированный исследователями Гархинга метод легирования кристалла кремния: отличные оптические свойства введенных атомов эрбия проявляются не только в непосредственной близости от абсолютного нуля при минус 273 градусах Цельсия, как в предыдущих экспериментах. .

Вместо этого их также можно наблюдать при температурах, считающихся «высокими» для квантовых явлений, около 8 кельвинов (градусов выше абсолютного нуля). «Такая температура может быть достигнута путем охлаждения в криостате жидким гелием», — говорит Андреас Рейзерер. «Это технологически легко реализовать, и это прокладывает путь к будущим приложениям».

Разнообразные потенциальные приложения

Спектр возможных будущих применений квантовых сетей широк. Из них можно построить квантовые компьютеры, в которых большое количество отдельных процессоров соединено между собой. С помощью таких вычислительных машин, использующих определенные квантово-механические эффекты, можно решать сложные задачи, которые невозможно решить с помощью обычных, классических систем. В качестве альтернативы квантовые сети можно использовать для исследования свойств новых типов материалов.

«Или их можно использовать для создания своего рода квантового интернета, в котором можно было бы передавать недостижимые ранее объемы информации — аналогично обычному интернету, но надежно зашифрованному с помощью квантовой криптографии», — говорит Райзерер.

Предпосылкой для всех этих потенциальных приложений является квантово-механическое запутывание кубитов в сети. «Показать, что это также возможно на основе атомов эрбия в кремниевых чипах, — наша следующая задача», — говорит Андреас Рейзерер.

Вместе со своей командой физик уже работает над решением этой задачи. Его цель: показать, что схемы для мощных квантовых сетей можно производить так же, как микрочипы для мобильных телефонов или ноутбуков, но проложить широкое поле для новых научных открытий и технических возможностей, которые сегодня немыслимы.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org