Синхротроны генерируют яркие световые импульсы в диапазоне от инфракрасного до жёсткого рентгеновского излучения, которые можно использовать для глубокого изучения сложных материалов.
Международная команда опубликовала обзор методов синхротрона для дальнейшего развития квантовых материалов и технологий в журнале Advanced Functional Materials.
Используя конкретные примеры, авторы показывают, как эти уникальные инструменты могут помочь раскрыть потенциал квантовых технологий, таких как квантовые вычисления, преодолеть производственные барьеры и проложить путь для будущих прорывов.
Квантовые технологии
В квантовых технологиях решающую роль в их функционировании играют квантово-физические принципы, такие как суперпозиция, интерференция и запутанность. Компоненты в квантовых технологиях могут выполнять вычисления на порядки более эффективно и шифровать информацию (квантовые вычисления) или обеспечивать беспрецедентную точность измерений в датчиках.
Однако разработка таких компонентов для практического использования остаётся сложной задачей, поскольку квантовые системы чувствительны к внешним воздействиям, что затрудняет точное управление в нормальных условиях. Для достижения прогресса в этой области и выявления источников ошибок важно, чтобы материалы и устройства были тщательно охарактеризованы и лучше изучены.
Источники синхротронного и FEL-излучения предоставляют для этого идеальный инструментарий. Доступные методы включают неразрушающее изображение, рентгеновскую дифракцию, спектроскопию, спектромикроскопию и исследования электронных и магнитных наноструктур.
Команда из HZB написала этот обзор вместе с коллегами из университетов и других европейских источников синхротронного излучения.
Прорыв в квантовом интернете
Международная исследовательская группа с участием Падерборнского университета добилась важного прорыва на пути к квантовому интернету. Впервые поляризационное состояние одиночного фотона, испущенного из квантовой точки, было успешно телепортировано на другую физически разделённую квантовую точку.
Это означает, что свойства одного фотона могут быть переданы другому посредством телепортации. Это особенно важный шаг для будущих квантовых сетей связи. Например, учёные использовали для своих экспериментов оптическую линию связи в свободном пространстве длиной 270 метров. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Команда докторантов и постдоков в Падерборнском университете потратила около 10 лет на оптические измерения, оценку и анализ данных. Профессор Клаус Йёнс из Падерборнской группы работает с командой под руководством профессора Ринальдо Тротта из Римского университета Сапиенца в Италии.
«Эксперимент впечатляюще демонстрирует, что квантовые источники света на основе полупроводниковых квантовых точек могут служить ключевой технологией для будущих квантовых сетей связи. Успешная квантовая телепортация между двумя независимыми квантовыми излучателями представляет собой важный шаг к масштабируемым квантовым ретрансляторам и, таким образом, к практической реализации квантового интернета», — пояснил профессор Йёнс, руководитель исследовательской группы Hybrid Photonics Quantum Devices и член правления Института фотонных квантовых систем (PhoQS) в Падерборнском университете.
Запутанные системы, состоящие из множества квантовых частиц, предлагают важные преимущества для квантовой связи. Вместо одного состояния, возникающего из условий одного фотона, образуется целая система, состоящая из множества состояний. Такие системы используются в связи, защите данных или квантовых вычислениях.
«Ранее эти фотоны исходили из одного и того же источника, то есть из одного и того же излучателя. Хотя в последние годы был достигнут значительный прогресс, использование различных квантовых излучателей для реализации квантового ретранслятора между независимыми сторонами ранее оставалось недостижимым», — отметил профессор Йёнс.
Около 10 лет назад профессор Йёнс и профессор Тротта разработали план развития квантовых точек в качестве источников запутанных пар фотонов для квантовой связи и протоколов телепортации.
«Этот результат показывает, что наше долгосрочное стратегическое планирование принесло свои плоды», — сказал профессор Йёнс. «Сочетание превосходного материаловедения, нанопроизводства и оптической квантовой технологии стало ключом к нашему успеху».
Этот успех основан на сотрудничестве исследователей по всей Европе: квантовые точки были разработаны с высочайшей точностью в Университете Иоганна Кеплера в Линце. Нанопроизводство резонаторов было завершено партнёрами из Университета Вюрцбурга. Учёные из Римского университета Сапиенца провели эксперименты по квантовой телепортации, включая оптическую линию связи в свободном пространстве длиной 270 метров, соединяющую два университетских здания.
Протокол использует синхронизацию с помощью GPS, сверхбыстрые детекторы одиночных фотонов, а также системы стабилизации, компенсирующие атмосферную турбулентность. Достигнутая точность состояния телепортации (то есть качество, с которым квантовые состояния сохраняются во время телепортации) достигает 82 ± 1%, что более чем на 10 стандартных отклонений превышает классический предел.
Этот успех прокладывает путь к следующему важному шагу: демонстрации «перепутывания» между двумя квантовыми точками. Это будет первый квантовый ретранслятор с двумя детерминированными источниками запутанных пар фотонов. Для пояснения, детерминированные квантовые источники производят относительно надёжные одиночные фотоны практически по нажатию кнопки. До сих пор это было связано с серьёзными проблемами.
Независимо и практически одновременно исследовательская группа из Штутгарта и Саарбрюккена достигла аналогичного результата с помощью преобразования частоты. Вместе два проекта представляют собой важную веху для европейских квантовых исследований.
Предоставлено Падерборнским университетом.