تكنولوجيا

رقم قياسي عالمي جديد لتخزين الكيوبتات

Qubits التوضيح شبكة متشابكة

أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS): مكنت فيزياء الكم العديد من التطورات التكنولوجية. إنها تفتح الآن مجالات جديدة للبحث في التشفير (فن تشفير الرسائل) بهدف تطوير شبكات اتصالات فائقة الأمان. ومع ذلك ، هناك عقبة: بعد بضع مئات من الكيلومترات في الألياف الضوئية ، تختفي الفوتونات التي تنقل الكيوبتات أو “البتات الكمومية” (المعلومات). لذلك فهم بحاجة إلى “مكررات” ، نوع من “مرحل” ، والتي تعتمد جزئيًا على ذاكرة كمومية. من خلال إدارة تخزين كيوبت في بلورة (“ذاكرة”) لمدة 20 مللي ثانية ، حقق فريق من جامعة جنيف (UNIGE) رقماً قياسياً عالمياً واتخذ خطوة كبيرة نحو تطوير شبكات الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة. . يمكن العثور على هذا البحث في المجلة معلومات الكم npj.

سمحت فيزياء الكم ، التي تم تطويرها خلال القرن العشرين ، للعلماء بوصف سلوك الذرات والجسيمات بالإضافة إلى بعض خصائص الإشعاع الكهرومغناطيسي. من خلال الانفصال عن الفيزياء الكلاسيكية ، ولدت هذه النظريات ثورة حقيقية وقدمت مفاهيم لا مثيل لها في العالم العياني مثل التراكب ، الذي يصف إمكانية وجود الجسيم في عدة أماكن في نفس الوقت ، أو التشابك ، الذي يصف القدرة من جسيمين للتأثير على بعضهما البعض بشكل فوري حتى على مسافة (“تأثير خيالي مترابط”).

تعتبر نظريات الكم اليوم في قلب الكثير من الأبحاث في مجال التشفير ، وهو نظام يجمع بين تقنيات تشفير الرسالة. تجعل نظريات الكم من الممكن ضمان مصداقية وسرية تامة للمعلومات (كيوبت) عندما يتم نقلها بين متحاورين بواسطة جسيم من الضوء (فوتون) داخل ألياف بصرية. تسمح ظاهرة التراكب لجهاز الإرسال بمعرفة ما إذا كان الفوتون الذي يحمل الرسالة قد تم اعتراضه على الفور.

احفظ الإشارة

ومع ذلك ، هناك عقبة رئيسية أمام تطوير أنظمة الاتصالات الكمومية بعيدة المدى: بعد بضع مئات من الكيلومترات ، تُفقد الفوتونات وتختفي الإشارة. نظرًا لأن الإشارة لا يمكن نسخها أو تضخيمها – ستفقد الحالة الكمية التي تضمن سريتها – فإن التحدي يكمن في إيجاد طريقة لتكرارها دون تغييرها عن طريق إنشاء “مكررات” تستند بشكل خاص إلى الذاكرة الكمومية.

Qubit تخزين الكريستال

الكريستال المستخدم لتخزين الكيوبتات الضوئية ويضيء بواسطة الليزر في ناظم البرد ، وهو أداة للحصول على درجات الحرارة شديدة البرودة. الائتمان: (ج) أنطونيو أورتو

في عام 2015 ، نجح فريق Mikael Afzelius ، المحاضر في قسم الفيزياء التطبيقية بكلية العلوم بجامعة جنيف (UNIGE) ، في تخزين كيوبت يحمله فوتون لمدة 0.5 مللي ثانية في بلورة (“ذاكرة” ). سمحت هذه العملية للفوتون بنقل حالته الكمومية إلى ذرات البلورة قبل أن تختفي. ومع ذلك ، فإن هذه الظاهرة لم تدم طويلاً بما يكفي للسماح ببناء شبكة أكبر من الذكريات ، وهو شرط أساسي لتطوير الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة.

سجل التخزين

اليوم ، كجزء من برنامج Quantum Flagship الأوروبي ، نجح فريق Mikael Afzelius في زيادة هذه المدة بشكل كبير من خلال تخزين كيوبت لمدة 20 مللي ثانية. “هذا رقم قياسي عالمي لذاكرة كمومية تعتمد على نظام الحالة الصلبة ، بلور في هذه الحالة. لقد تمكنا حتى من الوصول إلى علامة 100 مللي ثانية مع خسارة صغيرة في الإخلاص “، يحمس الباحث. كما في عملهم السابق ، استخدم علماء UNIGE بلورات مخدرة مع معادن معينة تسمى “الأتربة النادرة” (اليوروبيوم في هذه الحالة) ، القادرة على امتصاص الضوء ثم إعادة إصداره. تم تخزين هذه البلورات عند -273.15 درجة مئوية (الصفر المطلق) ، لأنه بعد 10 درجات مئوية فوق درجة الحرارة هذه ، فإن التحريض الحراري للبلورة يدمر تشابك الذرات.

لقد طبقنا حقلاً مغناطيسيًا صغيرًا من جزء من ألف من تسلا على البلورة واستخدمنا طرق الفصل الديناميكي ، والتي تتضمن إرسال ترددات راديو مكثفة إلى البلورة. هذه التقنيات لها تأثير في فصل أيونات الأرض النادرة عن الاضطرابات البيئية وزيادة أداء التخزين الذي عرفناه حتى الآن بمعامل 40 تقريبًا ، كما يوضح أنطونيو أورتو ، زميل ما بعد الدكتوراه في قسم أبحاث الفيزياء التطبيقية في UNIGE. تشكل نتائج هذا البحث تقدمًا كبيرًا في تطوير شبكات الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة. كما أنهم يجلبون تخزين الحالة الكمومية التي يحملها الفوتون إلى مقياس زمني يمكن للبشر تقديره.

نظام ناجح في عشر سنوات

ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من التحديات للتغلب عليها. “يتمثل التحدي الآن في زيادة وقت التخزين. من الناحية النظرية ، سيكون من الكافي زيادة مدة تعرض البلورة للترددات الراديوية ، ولكن في الوقت الحالي ، تمنعنا العوائق التقنية التي تعترض تنفيذها على مدى فترة أطول من تجاوز 100 مللي ثانية. ومع ذلك ، فمن المؤكد أن هذه الصعوبات التقنية يمكن حلها “، كما يقول ميكائيل أفزيليوس.

سيحتاج العلماء أيضًا إلى إيجاد طرق لتصميم ذكريات قادرة على تخزين أكثر من فوتون واحد في وقت واحد ، وبالتالي لديهم فوتونات “متشابكة” تضمن الخصوصية. ويخلص الباحث إلى أن “الهدف هو تطوير نظام يتسم بالكفاءة في كل هذه النقاط ويمكن تسويقه في غضون عشر سنوات”.

المرجع: “تخزين كيوبتات الزمن الفوتونية لمدة تصل إلى 20 مللي ثانية في بلورة مخدرة ذات أرضية نادرة” بقلم أنطونيو أورتو وأدريان هولزبفيل وجان إيتيس وميكائيل أفزيليوس ، 15 مارس 2022 ، معلومات الكم npj.
DOI: 10.1038 / s41534-022-00541-3


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button