Учёные продвигают квантовую связь с помощью технологии закрученного света
Исследовательская группа из VTT MIKES установила новый рекорд в измерениях абсолютной частоты с помощью оптических часов на основе стронция с исключительно низкой погрешностью и высоким временем безотказной работы.
Официальное определение секунды будет обновлено впервые за десятилетия. Изменение будет основано на новых оптических часах, которые гораздо точнее современных стандартов.
Исследователи из VTT MIKES продемонстрировали оптические часы на основе стронция с исключительно низкой систематической погрешностью в 7,9×10⁻¹⁹, одной из самых низких когда-либо зарегистрированных. В течение более чем 10 месяцев частота часов измерялась по отношению к Международному атомному времени (TAI) с впечатляющим временем безотказной работы в 84%. Общая погрешность этого измерения составила всего 9,8×10⁻¹⁷ и была ограничена цезиевыми часами, которые реализуют текущее определение секунды и калибруют TAI. Исследование опубликовано в Physical Review Applied.
Точное измерение времени необходимо для современной жизни, поскольку оно обеспечивает всё: от надёжного подключения к интернету до научных исследований и безопасного банковского дела. Прорыв VTT ставит Финляндию в авангарде глобальных усилий по обеспечению соответствия нашего измерения времени технологическому прогрессу.
«Оптические часы с низкой систематической погрешностью и высокой надёжностью, а также преемственность с текущим определением на основе цезиевых атомов — вот некоторые из критериев, которые необходимо выполнить, прежде чем можно будет провести переопределение. Наша работа внесла значительный вклад в их реализацию», — говорит Томас Линдвалл, старший научный сотрудник VTT MIKES.
Новое определение секунды, как ожидается, будет принято на международном уровне в течение следующего десятилетия.
Крошечное устройство, запутывающее свет и электроны без сверх охлаждения, может революционизировать квантовые технологии в криптографии, вычислениях и искусственном интеллекте
Современные квантовые компьютеры большие, дорогие и непрактичные, они работают при температурах, близких к –459 градусам по Фаренгейту, или «абсолютному нулю». Однако в новой статье учёные из Стэнфордского университета представляют новое наноразмерное оптическое устройство, которое работает при комнатной температуре для запутывания спина фотонов (частиц света) и электронов для достижения квантовой связи.
Этот подход использует законы квантовой физики для передачи и обработки данных. Технология может открыть новую эру недорогих и малоэнергозатратных квантовых компонентов, способных обмениваться данными на большие расстояния.
«Материал, о котором идёт речь, на самом деле не нов, но мы используем его по-новому», — говорит Дженнифер Дионн, профессор материаловедения и инженерии и старший автор статьи, опубликованной в Nature Communications. «Он обеспечивает универсальную и стабильную спиновую связь между электронами и фотонами, которая является теоретической основой квантовой связи. Однако обычно электроны теряют свой спин слишком быстро, чтобы быть полезными».
Устройство изготовлено из тонкого узорчатого слоя диселенида молибдена (MoSe₂) поверх твёрдой наноструктурной подложки из кремния. Диселенид молибдена относится к классу материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов (TMDC), которые обладают благоприятными оптическими свойствами.
«Кремниевые наноструктуры обеспечивают то, что мы называем «закрученным светом», — объясняет Фэн Пань, докторант в лаборатории Дионн и первый автор статьи. «Фотоны вращаются по спирали, но, что более важно, мы можем использовать эти вращающиеся фотоны для передачи спина электронам, которые являются основой квантовых вычислений».
«Наноструктуры с рисунком незаметны для человеческого глаза, их размер сопоставим с длиной волны видимого света», — добавляет Дионн. «Но они помогают нам очень точно манипулировать фотонами, заставляя их вращаться — закручивать — в определённом направлении, например, вверх или вниз».
В свою очередь, Пань объясняет, что этот закрученный свет может быть «запутан» со спином электронов для создания кубитов, основополагающей единицы квантовой связи и вычислений. Спин кубита в квантовых вычислениях соответствует 1 и 0 в традиционных двоичных вычислениях.
Для повышения стабильности кубитов традиционные квантовые системы должны работать при экстремально низких температурах, чтобы предотвратить потерю — или «декогеренцию» — хрупкого квантового состояния. Это делает их большими, дорогостоящими и непрактичными. Новое устройство из лаборатории Дионн мало, относительно недорого и практично по сравнению с ними.
Работа при комнатной температуре — это большой шаг вперёд в гонке за преодолением сложностей и затрат на сверх охлаждение, говорят исследователи. Устройство может в конечном итоге привести к внедрению квантовых технологий в более широкие приложения, потенциально изменяя криптографию, передовые датчики, высокопроизводительные вычисления, искусственный интеллект и другие области.
Дионн и Пань нацелились на TMDC из-за их отличительных квантовых свойств, объединив усилия со специалистами Стэнфордского университета, профессорами Фан Лю и Тони Хайнцем. «Всё сводится к этому материалу и нашему кремниевому чипу», — говорит Пань. «Вместе они эффективно ограничивают и усиливают закручивание света, создавая сильную связь спина между фотонами и электронами. Это стабилизирует квантовое состояние, которое делает квантовую связь возможной».
Дионн и Пань сейчас работают над усовершенствованием своего устройства и изучают другие TMDC и комбинации материалов для достижения ещё более высоких квантовых характеристик или, возможно, для выявления дополнительных квантовых функций, которые в настоящее время невозможны при комнатной температуре.
Ещё более многообещающе то, что исследователи изучают способы интеграции своего устройства в более крупные квантовые сети. Для этого потребуются новые и более совершенные источники света, модуляторы, детекторы, межсоединения, говорит Дионн. Конечная цель — миниатюризировать квантовые системы до такой степени, чтобы их можно было встраивать в повседневные устройства, после чего они могли бы стать повсеместной частью современного технологического ландшафта. Но до этого ещё далеко.
«Если мы сможем это сделать, возможно, когда-нибудь мы сможем выполнять квантовые вычисления в мобильном телефоне», — с улыбкой говорит Пань. «Но это план на 10 и более лет».
cesium clocks that realize the current definition of the second and calibrate TAI. The study is published in Physical Review Applied.»,»Accurate timekeeping is essential for modern life, since it enables everything from reliable internet connections to scientific research and secure banking. VTT’s breakthrough puts Finland at the forefront of a global effort to ensure our timekeeping keeps pace with technological progress.»,»\»Optical clocks with low systematic uncertainty and high reliability as well as continuity with the current cesium-atom-based definition are among the criteria that need to be fulfilled before a redefinition can take place. Our work made a significant contribution towards these,\» says Thomas Lindvall, senior scientist at VTT MIKES.»,»The new definition of the second is expected to be adopted internationally within the next decade.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tVTT Technical Research Centre of Finland\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник