Исследователи Ватерлоо объединяют лауреатов Нобелевской премии по физике и химии для повышения эффективности и безопасности квантовой связи. Фото: SciTechDaily.com
Университет Ватерлоо исследователи объединяют концепции, получившие Нобелевскую премию, для достижения научного прорыва.
Исследователи из Института квантовых вычислений (IQC) Университета Ватерлоо объединили две исследовательские концепции, получившие Нобелевскую премию, для развития области квантовой коммуникации.
Теперь учёные могут эффективно создавать почти идеальные запутанные фотон пары из источников квантовых точек.
Запутанные фотоны — это частицы света, которые остаются связанными даже на больших расстояниях, и эксперименты по этой теме были отмечены Нобелевской премией по физике 2022 года. Сочетая запутанность с квантовыми точками — технологию, удостоенную Нобелевской премии по химии в 2023 году, исследовательская группа IQC стремилась оптимизировать процесс создания запутанных фотонов, которые имеют широкий спектр применений, включая безопасную связь.
Повышение квантовой эффективности и запутанности
«Сочетание высокой степени запутанности и высокой эффективности необходимо для интересных приложений, таких как квантовое распределение ключей или квантовые повторители, которые призваны расширить расстояние безопасной квантовой связи до глобального масштаба или связать удаленные квантовые компьютеры», — сказал доктор Майкл Реймер, профессор IQC и факультета электротехники и вычислительной техники Ватерлоо. «Предыдущие эксперименты измеряли либо почти идеальную запутанность, либо высокую эффективность, но мы первые, кто достиг обоих требований с помощью квантовой точки».
Источник запутанных фотонов — квантовая точка на основе индия, встроенная в полупроводниковую нанопроволоку (слева), и визуализация того, как запутанные фотоны эффективно извлекаются из нанопроволоки. Предоставлено: Университет Ватерлоо.
Встраивая полупроводниковые квантовые точки в нанопроволоку, исследователи создали источник, который создает почти идеальные запутанные фотоны в 65 раз эффективнее, чем в предыдущей работе. Этот новый источник, разработанный в сотрудничестве с Национальным исследовательским советом Канады в Оттаве, может возбуждаться лазерами для генерации запутанных пар по команде. Затем исследователи использовали детекторы одиночных фотонов высокого разрешения, предоставленные компанией Single Quantum в Нидерландах, чтобы повысить степень запутанности.
Преодоление исторических проблем и будущие применения
«Исторически системы квантовых точек сталкивались с проблемой, называемой расщеплением тонкой структуры, которая заставляет запутанное состояние колебаться с течением времени. Это означало, что измерения, проведенные с помощью медленной системы обнаружения, не позволили бы измерить запутывание», — сказал Маттео Пеннаккиетти, аспирант IQC и факультета электротехники и вычислительной техники Ватерлоо. «Мы преодолели эту проблему, объединив наши квантовые точки с очень быстрой и точной системой обнаружения. По сути, мы можем получить временную метку того, как выглядит запутанное состояние в каждой точке во время колебаний, и именно здесь мы получим идеальную запутанность».
Чтобы продемонстрировать будущие коммуникационные приложения, Раймер и Пеннаккетти работали с доктором Норбертом Люткенхаусом и доктором Томасом Йенневейном, преподавателями IQC и профессорами факультета физики и астрономии Ватерлоо, и их командами. Используя свой новый источник запутанности квантовых точек, исследователи смоделировали метод безопасной связи, известный как распределение квантовых ключей, доказав, что источник квантовых точек имеет значительные перспективы в будущем безопасных квантовых коммуникаций.
Это исследование «Осциллирующее фотонное состояние Белла из полупроводниковой квантовой точки для распределения квантовых ключей» было недавно опубликовано в журнале Физика связи Пеннаккетти, Раймер, Дженневейн, Люткенхаус, Брейди Кунард, Шлок Нахар и Саян Гангопадьяй из IQC, а также их сотрудники доктор Мохд Зишан, доктор Филип Пул, доктор Дэн Далаку, доктор Андреас Фоньини, доктор Клаус Йонс и Доктор Вэл Цвиллер.
Ссылка: «Осциллирующее фотонное состояние Белла из полупроводниковой квантовой точки для распределения квантовых ключей» Маттео Пеннаккетти, Брейди Кунард, Шлок Нахар, Мохд Зишан, Саян Гангопадьяй, Филип Дж. Пул, Дэн Далаку, Андреас Фоньини, Клаус Д. Йонс, Вэл Цвиллер, Томас Йенневейн, Норберт Люткенхаус и Михаэль Э. Раймер, 24 февраля 2024 г., Физика связи.
DOI: 10.1038/s42005-024-01547-3