Skupina výskumníkov v Rakúsku na čele s fyzikom Philipom Waltherom z TU Wien dosiahla mimoriadny, prelomový úspech a objavila „na mieru šité“ svetelné častice, ktoré sú obzvlášť vhodné na kvantovo-fyzikálne prepletenie.
Pod jeho vedením sa tejto výskumnej skupine podarilo vyvinúť nový svetelný zdroj. Proces bol patentovaný a otvára nové možnosti pre konštrukciu kvantových počítačov.
Tento medzinárodný projekt trval tri roky, s jednorazovým predĺžením o šesť mesiacov a bol úspešne ukončený v roku 2020. Financoval ho rakúsky Vedecký fond (FWF) sumou 380 000 EUR.
Ako ďalej informuje portál APA Science:
V optických kvantových počítačoch preberá svetlo úlohu, ktorú bežne zohráva elektrina v konvenčných počítačoch, t. j. prenáša informácie medzi obvodmi. Zatiaľ čo dnešné počítače poznajú iba stavy „nula“ a „jedna“, svetlo sa dá použiť aj na zobrazenie superpozície týchto dvoch možností. Kvantové počítače dokážu s takýmito superpozičnými stavmi počítať a tak, podľa teórie, dosiahnuť aj enormný nárast výpočtového výkonu. Avšak ich vytvorenie a kontrola je stále veľkou výzvou a aj tá najmenšia porucha ničí citlivé kvantové efekty.
Mimoriadne dôležitý pre kvantové počítače je „stav prepletenia“.
Objekty, ktoré sú aj ďaleko od seba, ako napríklad častice svetla, môžu zostať navzájom prepletené. Einstein kedysi tento stav opovržlivo nazval „strašidelným pôsobením na diaľku“. V oblasti kvantovej optiky, kde prebieha výskum technológií pre kvantové počítače, sa tento efekt, ktorý kedysi Einstein považoval za nemožný, dlho používal pri experimentoch ako samozrejmosť. Podľa vysvetlenia fyzika Philipa Walthera z Viedenskej technickej univerzity, metódy na generovanie prepletených častíc mali však doteraz rôzne nevýhody.
Nízka spoľahlivosť
Ako vysvetlil Walther: “Prepletenie sa vytváralo dvadsať alebo tridsať rokov pomocou určitých kryštálov, ktoré dokážu manipulovať so svetlom. Časticu modrého svetla možno rozdeliť na dve červené.” Ďalej pokračoval: „Pokiaľ to urobíte šikovne, tieto častice sa na konci postupu navzájom prepletú a možno ich použiť v kvantových experimentoch. Nevýhodou je, že v kryštáli sa z mnohých miliárd svetelných častíc vytvorí len jeden prepletený pár.“
Týmto spôsobom vzniká problém pre kvantové počítače, ktoré spracovávajú jednotlivé svetelné častice a tiež musia jednotlivé fotóny cielene preplietať. Išlo teda o zefektívnenie procesu vytvárania prepletenia.
Atómy ako riešenie
Da sa to dosiahnuť, ak ľahké častice interagujú s jednotlivými atómami, namiesto kryštálov a prepletú sa do procesu. Za určitých podmienok môžu jednotlivé častice svetla interagovať s elektrónmi v obale atómu a sú prepletené s vysokou spoľahlivosťou. Potrebné techniky sú však náročné, pretože „atómy sú oveľa menšie ako vlnová dĺžka svetla.“ Pravdepodobnosť, že ľahkú časticu pohltí atóm, je teda veľmi nízka. S cieľom dosiahnuť vyššiu úroveň spoľahlivosti, pracuje niekoľko skupín po celom svete na rôznych technikách. Špecialista na takéto techniky spájania svetla s atómami je viedenský fyzik Arno Rauschenbeutel, ktorý nedávno zahájil výskum v Berlíne. Philip Walther rozpoznal v jeho špecializácii možnosť synergického efektu so svojou vlastnou prácou, ktorý mu umožnil prepliesť jednotlivé svetelné častice pomocou atómov.
Svetlé častice v tej správnej farbe
Waltherov výskumný tím musel poskytnúť časticiam svetla presne tú správnu farbu, exaktne presne prispôsobenú vlastnostiam atómu tak, aby atómy absorbovali svetlo. Tradične sa vo fyzike svetlo rozkladá na jednotlivé farby pomocou skleneného hranolu – porovnateľné s rozdeľovaním bieleho svetla na dúhu. Ale pri tomto procese sa veľa svetla stráca.
Walther ďalej vysvetlil: „Zámerne sme sa nesnažili odfiltrovať správnu vlnovú dĺžku ako pri hranole, pretože nastáva veľká strata. Naším cieľom bolo prinútiť kryštál, aby produkoval svetlo a tým sa produkovali častice presne v tej správnej farbe.“
Waltherovmu výskumnému tímu sa podarilo dosiahnuť tento cieľ, ktorý bol stanovený v úvode projektu. Bol skonštruovaný svetelný zdroj, ktorý môže použiť atómové systémy na vytvorenie prepletenia.
Návrh svetelného zdroja bol taký úspešný, že o spoluprácu prejavili záujem rôzne ďalšie výskumné skupiny. Na tento účel Waltherov výskumný tím zmenšil experimentálne nastavenie, až kým sa na dosku nezmestil jeden meter krát osemdesiat centimetrov. Ako spomenul Walther: “Stanovili sme si hranicu zmenšenia konštrukcie na polovicu veľkosti stola a dosiahli sme to.” Epidémia korony zatiaľ oddialila transport nového zdroja svetelných častíc do iných pracovných skupín, avšak čo najskôr by sa mal tento proces využiť ako „generátor nápadov“ u Arneho Rauschenbeutla v Berlíne a neskôr aj u ďalších skupín, napr. vo Weizmannovom inštitúte v Izraeli.
Tento úspech podnietil Waltherov tím k neobvyklému kroku v kvantovej technológii a proces bol aj patentovaný. Ako vysvetlil svoju motiváciu fyzik: „Najmä teraz, keď vzniká čoraz viac spoločností pre kvantové počítače, myšlienka chrániť niektoré veci intelektuálne, dáva zmysel.“
Samotný Walterov výskumný tím tiež pracuje na konštrukcii kvantových počítačov, v súčasnosti však stále ešte v zvládnuteľných rozmeroch a bude tam využívať novú technológiu. Vývoj lepších kvantových počítačov však nie je hlavným cieľom.
Ako zdôraznil Walther: „Nie sme iba inžinieri, ktorí chcú len vylepšiť a zmenšiť predchádzajúce koncepty. Radi sa pozeráme na veci naľavo a napravo tak, ako to ešte doteraz nikto neskúšal.” – a to je predsa úloha základného výskumu.
Viac informácií:
Quantencomputing und Quanteninformationswissenschaft
Ďalšie publikácie:
Moqanaki A., Massa F., Walther P.: Novel single-mode narrow-band photon source of high brightness tuned to cesium D2 line,
Massa F., Moqanaki A., del Santo F., Dakic B., Walther P.: Experimental two-way communication with one photon,
Greganti C., Schiansky P., Calafell IA, Procopio LM, Rozema LA, Walther P.: Tuning single-photon sources for telecom multi-photon experiments,
Laudenbach F., Jin R., Greganti C., Hentschel M., Walther P., Hübel H.: Numerical Investigation of Photon-Pair Generation in Periodically Poled M TiO X O 4 (M = K , Rb, Cs; X = P , As)
Zdroj: https://www.fwf.ac.at/de; https://www.science.apa.at, zverejnené: 8. 12. 2021, autor: Blanka Hermanová, rpa
