Snímek kvantového internetu se blíží díky průlomu, který pomáhá přenášet informace přes optické sítě
Vědci vyvinuli nový typ molekulárního qubitu, který by mohl pomoci propojit kvantové počítače přes stávající telekomunikační technologie – klade základy pro budoucí kvantový internet.
Nový qubit obsahuje prvek vzácné země nazývaný erbium, který má optické a magnetické vlastnosti, jež mu umožňují přenášet kvantové informace pomocí stejných vlnových délek jako optické sítě.
Díky tomu, že pracuje na telekomunikačních vlnových délkách, může být qubit také snáze integrován do křemíkových čipů, uvedli vědci v prohlášení. To by mohlo otevřít cestu pro menší a kompaktnější kvantová zařízení.
Tým publikoval své poznatky 2. října ve vědeckém časopise. V prohlášení označili tuto technologii za „slibnou novou stavební blok pro škálovatelné kvantové technologie,“ od ultra-bezpečných komunikačních spojení po dálkové sítě kvantových počítačů – často označovaných jako kvantový internet.
Vědecký výzkum se věnoval budování technologie potřebné pro kvantový internet, včetně nového čipu vyvinutého v září, který pomáhá přenášet kvantové signály přes reálné optické kabely. V nové studii se vědci soustředili na vytváření nového typu qubitu, který by mohl pomoci k přenosu dat.
„Demonstrovali jsme univerzálnost těchto erbium molekulárních qubitů, což je další krok k škálovatelným kvantovým sítím, které se mohou přímo napojit na současnou optickou infrastrukturu,“ řekl David Awschalom, hlavní vyšetřovatel studie a profesor molekulárního inženýrství a fyziky na University of Chicago.
Odlišný typ qubitu
Qubity jsou nejzákladnější formou kvantových informací a fungují jako kvantový ekvivalent bitů v klasickém výpočetním systému.
To je z velké části tam, kde srovnání končí. Zatímco klasické bity počítají v binárních 1 a 0, qubity se chovají podle podivných pravidel kvantové fyziky, což jim umožňuje existovat ve více stavech najednou – vlastnost známá jako superpozice. Pár qubitů tedy může být 0-0, 0-1, 1-0 a 1-1 současně.
Qubity obvykle existují ve třech formách: supervodivé qubity, které se skládají z malých elektrických obvodů; uvězněné iontové qubity, které ukládají informace v nabitých atomech držících se na místě elektromagnetickými poli; a fotonové qubity, které kódují kvantové stavy v částech světla.
Molekulární qubity používají jednotlivé molekuly, často postavené kolem vzácných kovů, jejichž elektronový spin určuje jejich kvantový stav. Tento spin dává elektronu malý magnetický pole, jehož směr určuje hodnotu qubitu. Stejně jako klasický bit může představovat 1 nebo 0, ale také může být superpozicí obou stavů.
Co dělá nový qubit na bázi erbia unikátním, je to, že se chová jako spin qubit i fotonový qubit; může ukládat informace magneticky, zatímco je čten pomocí optických signálů.
V experimentu vědci ukázali, že spin atomu erbia může být umístěn do řízené superpozice – klíčový požadavek pro fungující qubit. Protože spinový stav ovlivňuje vlnovou délku světla, které atom vyzařuje, tým mohl číst kvantové stavy qubitu pomocí standardních technik, jako je optická spektroskopie.
Dlouhodobá kvantová data
Práce na telekomunikačních vlnových délkách poskytuje dva klíčové výhody, první spočívá v tom, že signály mohou cestovat na dlouhé vzdálenosti s minimálními ztrátami – což je nezbytné pro přenos kvantových dat přes optické sítě.
Druhou výhodou je, že světlo na vlnových délkách optických vláken snadno prochází křemíkem. Pokud by neprocházelo, jakákoli data zakódovaná v optickém signálu by byla absorbována a ztracena. Vzhledem k tomu, že optický signál může projít křemíkem k detektorům nebo jiným fotonovým komponentům umístěným pod ním, qubit na bázi erbia je ideální pro hardwarové čipy.
„Telekomunikační vlnové délky nabízejí nejnižší míru ztráty světla, které prochází optickými vlákny. To je klíčové, pokud chcete spolehlivě posílat informace zakódované v jediném fotonu (jediná částice světla) mimo laboratoř,“ řekl Awschalom.
Scale je dalším přínosem, vysvětlil Awschalom. Každý qubit je vyroben z jedné molekuly, která je přibližně 100,000krát menší než lidský vlas. Díky tomu, že jejich struktura může být laděna syntetickou chemií, molekulární qubity mohou být integrovány do prostředí, která jiné typy qubitů nemohou – včetně pevných stavů nebo dokonce uvnitř živých buněk.
Tato úroveň kontroly by mohla pomoci vyřešit jednu z největších inženýrských výzev kvantového počítačování: integrovat kvantovou kompatibilitu přímo do stávajících technologií.
„Integrace je klíčovým krokem ve škálování technologie a vynikající výzvou v tomto oboru,“ řekl Awschalom. „Pracujeme na integraci těchto qubitů do zařízení na čipech a věříme, že to otevře nové možnosti v řízení, detekci a propojení molekul.“
