Путешествие к квантовому интернету со скоростью света

Исследователи продемонстрировали новый метод передачи квантовой информации на большие расстояния с помощью циркулярно поляризованного света, чтобы перевернуть спиновое состояние электрона на квантовой точке. Эта работа может показать путь к полностью безопасному «квантовому интернету».

Исследовательская группа, возглавляемая Университетом Осаки, продемонстрировала, как информация, закодированная в круговой поляризации лазерного луча, может быть переведена в состояние вращения электрона в квантовой точке, каждая из которых является квантовым битом и кандидатом в квантовые компьютеры. Это достижение представляет собой важный шаг к «квантовому интернету», в котором будущие компьютеры смогут быстро и безопасно отправлять и получать квантовую информацию.

Квантовые компьютеры имеют потенциал значительно превзойти существующие системы, потому что они работают совершенно по-другому. Вместо обработки дискретных единиц и нулей квантовая информация, хранящаяся в электронных спинах или передаваемая лазерными фотонами, может находиться в суперпозиции нескольких состояний одновременно. Более того, состояния двух или более объектов могут запутаться, так что состояние одного не может быть полностью описано без этого другого. Обработка запутанных состояний позволяет квантовым компьютерам одновременно оценивать множество возможностей, а также передавать информацию с места на место, неуязвимое для прослушивания.

Тем не менее, эти запутанные состояния могут быть очень хрупкими, продолжительностью всего лишь микросекунды до потери когерентности. Чтобы реализовать цель квантового интернета, через который когерентные световые сигналы могут передавать квантовую информацию, эти сигналы должны иметь возможность взаимодействовать со спинами электронов внутри удаленных компьютеров.

Исследователи во главе с Университетом Осаки использовали лазерный свет, чтобы послать квантовую информацию в квантовую точку, изменяя состояние спина одиночного электрона, захваченного там. Хотя электроны не вращаются в обычном смысле, они имеют момент импульса, который можно перевернуть при поглощении циркулярно поляризованного лазерного света.

«Важно, что это действие позволило нам прочитать состояние электрона после применения лазерного излучения, чтобы подтвердить, что он находился в правильном состоянии вращения», — говорит первый автор Такафуми Фудзита. «В нашем методе считывания использовался принцип исключения Паули, который запрещает двум электронам занимать одно и то же состояние. На крошечной квантовой точке у электрона достаточно места для прохождения так называемой спиновой блокады Паули, если он имеет правильный спин «.

Квантовая передача информации уже использовалась в криптографических целях. «Перенос состояний суперпозиции или запутанных состояний обеспечивает полностью безопасное распределение квантовых ключей», — говорит старший автор Акира Оива. «Это потому, что любая попытка перехватить сигнал автоматически разрушает суперпозицию, делая невозможным прослушивание без обнаружения».

Быстрое оптическое манипулирование отдельными спинами является многообещающим методом для создания квантовой нано-масштабной общей вычислительной платформы. Интересная возможность состоит в том, что будущие компьютеры смогут использовать этот метод для многих других приложений, включая оптимизацию и химическое моделирование.