Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego zbudowali urządzenie, które może okazać się pomocne w skonstruowaniu karty sieciowej komputera kwantowego. Wyniki prowadzonych badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Photonics”.
Zespół badaczy z Laboratorium Urządzeń Kwantowo-Optycznych w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT – dr hab. Michał Parniak i dr Mateusz Mazelanik oraz doktorant Sebastian Borówka i magistrantka Uliana Pylypenko z Wydziału Fizyki UW – skonstruował urządzenie dokonujące konwersji informacji kwantowej pomiędzy pojedynczymi fotonami mikrofalowymi oraz optycznymi.
Wyniki badań nad nową techniką detekcji mikrofalowej, mogącą znaleźć zastosowania w technologiach kwantowych jako element infrastruktury kwantowego internetu oraz w mikrofalowej radioastronomii, zostały opublikowane na łamach czasopisma „Nature Photonics”.
Konwersja informacji
W czasie odtwarzania muzyki z urządzenia elektronicznego dochodzi do konwersji informacji na temat muzyki, tj. plik zapisany cyfrowo w pamięci urządzenia jest konwertowany na prąd elektryczny, a następnie kierowany do głośników.
– W podobny sposób można konwertować informację kwantową zawartą w fotonach – najmniejszych, niepodzielnych cząstkach światła – np. przekazać informację z fotonu mikrofalowego do optycznego. Urządzenia wykonujące takie operacje muszą być bardzo precyzyjne i nie mogą wnosić do konwertowanej informacji szumu ani zakłóceń – mówi kierujący zespołem dr hab. Michał Parniak z CeNT UW i dodaje: –Trudność stanowi też fakt, że fotony optyczne mają 10 tys. razy większą energię niż fotony mikrofalowe i istnieje niewiele ośrodków, które mogą równocześnie oddziaływać z jednymi i drugimi.
Konwersja informacji kwantowej jest kluczowa dla działania tzw. kwantowych sieci hybrydowych – sieci połączeń między różnymi urządzeniami kwantowymi, takimi jak komputery kwantowe wykonujące obliczenia przy pomocy fotonów mikrofalowych oddziałujących z obwodami nadprzewodzącymi.
– Przesyłanie informacji kwantowej na duże odległości przy pomocy tych fotonów jest utrudnione ze względu na zakłócenia. Zdecydowanie lepiej zachowują się fotony optyczne, które mogą bez problemów przenosić informację kwantową w światłowodach. Mikrofalowo-optyczny konwerter kwantowej informacji może więc w przyszłości stać się kluczową częścią kwantowej karty sieciowej – interfejsu pomiędzy kwantowymi komputerami a kwantowym internetem – wyjaśnia dr Mateusz Mazelanik z CeNT UW.
Powiększone atomy
Jednym z obiektów, które mogą oddziaływać z fotonami mikrofalowymi oraz optycznymi, są atomy rydbergowskie, które można otrzymać przez laserowe wzbudzenie elektronu walencyjnego, np. w atomie rubidu. Do tej pory konwersja mikrofalowo-optyczna w atomach rydbergowskich została zaprezentowana wyłącznie dla laserowo schłodzonych atomów w skomplikowanym układzie pułapki magneto-optycznej.
– Jako pierwsi pokazaliśmy, że konwersja mikrofalowo-optyczna może zajść również w temperaturze pokojowej, dla swobodnego gazu atomowego zamkniętego w szklanej komórce – wyjaśnia dr hab. Michał Parniak i dodaje: – Dzięki temu znacząco uprościliśmy konstrukcję układu, wskazując nawet na możliwość miniaturyzacji urządzenia. Dodatkowo zaproponowaliśmy nowy schemat konwersji, charakteryzujący się wyjątkowo niskimi zakłóceniami i dzięki temu pozwalający na operacje na pojedynczych fotonach.
W ramach prezentacji czułości urządzenia zespół zademonstrował wykrywanie mikrofalowego promieniowania termicznego w temperaturze pokojowej. Po raz pierwszy dokonano tego bez użycia anten mikrofalowych oraz specjalnych niskoszumnych wzmacniaczy.
– Do zejścia na poziom termiczny wymagana jest czułość na pojedyncze fotony, ale konwerter może działać też dla mikrofal nawet milion razy silniejszych i nie może zostać uszkodzony nawet przez bardzo silne pola, w przeciwieństwie do innych urządzeń mikrofalowych – tłumaczy dr Mateusz Mazelanik.
– Zaskoczeniem w badaniach okazała się możliwość użycia tak prostego układu, a mimo to uzyskania parametrów lepszych niż do tej pory. Nasz wynalazek może działać bez przerwy, gdyż nie wymaga specjalnego okresu na przygotowanie atomów, co w innych podejściach pochłania nawet ponad 99% czasu pracy urządzenia – dodaje dr hab. Parniak.
Mikrofalowa przyszłość
Technologie kwantowe, które obecnie bardzo szybko się rozwijają, wykorzystują różne nośniki informacji. Komputery kwantowe oparte na złączach nadprzewodzących przechowują kwantową informację w częstościach mikrofalowych, natomiast pamięci kwantowe wykorzystują do tego fotony optyczne. Podobnie jak w przypadku kwantowej karty sieciowej, połączenie obu typów urządzeń wymaga interfejsu, który mógłby sprawnie oddziaływać zarówno w dziedzinie mikrofalowej, jak i optycznej – atomy rydbergowskie są tu jednym z proponowanych rozwiązań.
Obecnie w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT, jak również w innych ośrodkach naukowych na świecie, trwają badania nad wykorzystaniem kwantowych technologii w superczułej detekcji promieniowania mikrofalowego.
