Atomii de ytterbiu-171 erau deja vedete în lumea fizicii, fiind folosiți pentru a măsura timpul în unele dintre cele mai precise ceasuri optice construite vreodată. Acum, cercetătorii de la Universitatea din Illinois le-au găsit o nouă utilitate extraordinară: i-au conectat direct la fotoni la o lungime de undă de 1389 nanometri.
Poate că cifra nu vă spune mare lucru, dar această lungime de undă este deja optimizată pentru a călători rapid și cu pierderi minime prin cablurile de fibră optică standard pe care le folosim cu toții pentru internet.
Echipa a demonstrat nu doar că legătura funcționează, ci și că o face simultan pe mai multe „site-uri” atomice, rămânând în același timp „curată”. În timpul testelor, fotonii au parcurs 40 de metri de fibră optică, păstrându-și intact semnalul cuantic necesar pentru o rețea funcțională.
Proiectul este condus de către Jacob P. Covey. Echipa sa construiește o platformă care transformă acești atomi de ceas extrem de preciși în conectori de rețea pentru viitoarele legături cuantice pe distanțe lungi. Interesant este că planul inițial a fost să folosească un foton verde din qubitul nuclear al atomului în stare fundamentală, dar au descoperit ulterior că tranziția de 1389 nanometri era o cale mult mai eficientă pentru a crea legături stabile, la distanță.
O problemă de „traducere” a luminii
De ce este acest lucru atât de important? Majoritatea sistemelor cuantice bazate pe atomi emit lumină vizibilă sau ultravioletă. Această lumină, pur și simplu, nu se descurcă bine în cablurile lungi de fibră optică; se pierde pe parcurs.
Fibrele de comunicații standard, cele care alcătuiesc internetul nostru, funcționează cel mai bine cu lumină în jurul a 1550 nanometri. Acesta este intervalul pe care furnizorii de internet îl folosesc pentru a trimite date pe distanțe mari.
Dispozitivul creat în Illinois emite fotoni direct în banda de telecomunicații potrivită. Astfel, evită necesitatea unui „convertor” separat – un dispozitiv care în mod normal ar prelua lumina cuantică și ar „traduce-o” pentru fibră. Problema cu aceste convertoare este că pot irosi fotoni prețioși și pot adăuga zgomot nedorit în sistem.
Această singură alegere inginerească ar putea însemna mult mai puține erori atunci când două laboratoare îndepărtate încearcă să partajeze informații cuantice.
O rețea care funcționează în paralel
Pentru a face sistemul eficient, echipa a aliniat un rând de atomi prinși într-o capcană cu un rând corespunzător de miezuri de fibră optică. Această geometrie inteligentă a permis ca multe legături atom-foton să funcționeze în același timp, fără a se deranja una pe alta, iar testele au raportat o fidelitate uniformă între site-uri.
Cercetătorii au verificat că interferența a rămas neglijabilă chiar și atunci când au mărit numărul de canale. În plus, designul este compatibil cu matricile de fibre care sunt deja utilizate în mod obișnuit în hardware-ul de comunicații existent.
Informația este stocată folosind „codificarea în intervale de timp” (time-bin encoding). Practic, un bit de informație este reprezentat de două momente de sosire bine separate ale fotonului. Această metodă este extrem de robustă în fibră, deoarece sincronizarea rezistă la micile perturbări care ar putea da peste cap alte metode (cum ar fi polarizarea), și este deja comună în aplicațiile de distribuție a cheilor cuantice (QKD).
În experiment, spinul nuclear al unui singur atom a fost „cuplat” (entangled) cu un foton care putea ajunge fie mai devreme, fie mai târziu. Această împerechere a creat o stare cuantică specială, care rămâne corelată chiar și după ce fotonul a călătorit prin fibră.
Atomii conectați pentru prima dată la internet prin fibră optică
După ce perechea atom-foton a fost generată, fotonul a fost trimis într-un interferometru special pentru a testa cât de bine interferează cele două intervale de timp. Pentru a detecta particulele unice de lumină, cercetătorii au folosit SNSPD-uri (detectoare de fotoni unici cu nanofire supraconductoare) – dispozitive ultra-sensibile care captează fotoni individuali cu un număr extrem de mic de citiri false.
Rezultatele au fost impresionante: au raportat o fidelitate a stării Bell corectată prin măsurarea atomului de aproape 0,95, identificând că principala limită rămasă o reprezintă erorile de detectare a fotonilor. Vestea bună este că acestea sunt probleme tehnice care pot fi reduse cu o filtrare și o calibrare mai bune.
O altă provocare în rețelele cuantice este că activitatea poate deranja atomii din apropiere, ștergând starea unui qubit (un bit cuantic) care ar trebui să stocheze informații. Echipa a creat un protocol inteligent care protejează un „qubit de memorie” în timp ce „qubiții de comunicație” se ocupă de conectarea la rețea. Cercetătorii au demonstrat că starea stocată a rămas coerentă în tot acest timp – o capacitate vitală pentru orice procesor care trebuie să comunice fără a-și pierde datele.
De la laborator la infrastructura reală
Fotonii din banda de telecomunicații pot parcurge kilometri de cablu de fibră cu pierderi modeste, spre deosebire de lumina vizibilă. Această proprietate face ca distribuția de entanglement să fie practică pe distanțe de câțiva kilometri, la scara unui oraș, fără a fi nevoie de repetoare sau convertoare de frecvență zgomotoase – un avantaj susținut de standardele actuale de fibră optică.
Emisia directă simplifică, de asemenea, întreaga configurație. Mai puține componente optice înseamnă mai puține piese care se pot dezalinia și mai puține moduri în care experimentul poate eșua.
Un detaliu crucial este că matricea atomică a fost proiectată pe o matrice de fibră comercială, disponibilă pe piață. Această alegere reduce barierele pentru alte laboratoare care doresc să reproducă platforma și să adauge mai multe canale.
Echipa a trimis fotonii printr-o bobină de test din fibră de 40 de metri și tot a recuperat semnalul de interferență așteptat. Este un semn timpuriu excelent că distanțele modeste din laborator nu vor constitui un obstacol.
Autorii notează că fidelitatea măsurată a fost limitată în principal de două lucruri: erorile de detectare a fotonilor și stabilitatea imperfectă a interferometrului. Vestea bună este că acestea sunt probleme tehnice, nu bariere fundamentale, și de obicei se pot îmbunătăți printr-o calibrare mai bună și un control mai strict al temperaturii.
Grupul a și prezentat o listă de îmbunătățiri care vizează eficiența colectării fotonilor, stabilitatea sincronizării și performanța detectorului. Crucial este că niciuna dintre aceste îmbunătățiri nu necesită schimbarea atomului sau inventarea unui protocol complet nou.
Ce urmează? accelerarea conexiunii
O cale cheie pentru viitor este îmbunătățirea numărului de fotoni colectați de la fiecare atom. O soluție ar fi plasarea matricei într-o „cavitate optică” (o pereche de oglinzi care canalizează lumina într-un singur mod), ceea ce ar putea crește rata de detectare cu ordine de mărime.
Rate mai mari înseamnă încercări mai rapide de a crea legături, ceea ce sporește șansa de succes pentru entanglementul la distanță între două laboratoare. Odată ce două locații partajează o pereche „entangled”, ele pot rula protocoale pentru chei de securitate inviolabile sau pentru senzori distribuiți.
Fotonii, fibra și viitorul
Același atom se află în centrul unora dintre cele mai precise ceasuri construite vreodată. Conectarea mai multora dintre ele ar putea transforma laboratoarele izolate într-o rețea sincronizată, îmbunătățind stabilitatea pe termen lung.
Senzorii cuantici vor beneficia și ei, deoarece entanglementul partajat poate spori precizia dincolo de limitele clasice. Această legătură directă de telecomunicații reduce practic fricțiunea în transferul ideilor din teorie în hardware funcțional.
Această lucrare demonstrează că o singură specie atomică poate îndeplini atât roluri de calcul, cât și de rețea. Mai mult, arată că alegerile inginerești atente, nu doar fizica fundamentală nouă, decid dacă o platformă va fi scalabilă. Utilizarea fibrelor și a matricelor standard este un semnal practic uriaș pentru acest domeniu: fizica este pregătită să întâlnească infrastructura.
Studiul a fost publicat în Nature Physics.
