No Portal 3, pero cercano: teletransportación cuántica de información dentro de un diamante

Todos estamos familiarizados con varios superhéroes y sus habilidades únicas, nos guste o no. Por lo tanto, la pregunta de qué tipo de superpotencia te gustaría tener no es tan rara. A alguien le gustaría ser increíblemente fuerte, como Hulk, alguien, rápido, como Flash, y alguien no renunciaría a los superpoderes de Batman: el dinero. Pero aquellos que al menos una vez estuvieron en un embotellamiento de Marte a Venus darían todo por la oportunidad de teletransportarse. El concepto de teletransportación suena muy emocionante desde el punto de vista de la ciencia ficción, pero en realidad esta superpotencia también existe, pero lejos de la gente está dotada de ella. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que científicos de la Universidad de Yokohama (Japón) pudieron teletransportar información dentro de un diamante. ¿Cómo hicieron esto los científicos, cuán lateral es la física cuántica y qué significa esto para el futuro de las tecnologías de almacenamiento de datos? Las respuestas nos esperan en un informe de científicos. Vamos

Base de estudio

En primer lugar, vale la pena señalar que el nombre completo del fenómeno en discusión es la teletransportación cuántica. El principio de este proceso es crucial para la tecnología de información cuántica. Por ejemplo, para implementar la comunicación cuántica, se requieren repetidores cuánticos que transmitan un qubit (bit cuántico) a un nodo remoto sin revelar el estado de este qubit en sí. Para los procedimientos computacionales, la teletransportación ayudará a implementar la transferencia segura de datos de entrada y salida a través de la comunicación cuántica para la computación cuántica ciega.

El aspecto más importante de la teletransportación cuántica es la transferencia de información cuántica a un espacio inaccesible, lo cual es de esperar, así como la transferencia de información de fotones a la memoria cuántica sin revelar o destruir la información cuántica almacenada.

En este trabajo, los científicos demuestran un esquema de trabajo para transferir un estado cuántico de polarización de fotones al espín nuclear de un isótopo de carbono unido al centro NV * de un diamante.

NV-center * es una vacante sustituida con nitrógeno en el diamante, es decir un defecto puntual en el diamante cuando se viola la estructura de su red cristalina debido a la eliminación del átomo de carbono del sitio de la red y la unión de la vacante al átomo de nitrógeno.

El giro de carbono se enreda primero con el giro de electrones, que luego se permite que absorba el fotón en su propio estado, correlacionado con la interacción giro-órbita. La detección de un electrón después de la relajación en el estado fundamental del espín permite la transferencia post-selectiva de una polarización arbitraria de un fotón a la memoria de carbono.

El esquema de transmisión de estado cuántico permite implementar dispositivos de almacenamiento cuántico tanto para repetidores cuánticos escalables (repetidores) de comunicación a larga distancia con sistemas cuánticos como para computación cuántica distribuida.

En este trabajo, los científicos pudieron iniciar y manipular con éxito el giro del carbono nuclear a través del nitrógeno como un nanomagnet para eliminar la degeneración del electrón, manteniendo un campo magnético cero en el giro nuclear del carbono. El siguiente es el proceso de transferir el estado de polarización de fotones al estado cuántico de espín, es decir, teletransportación. Todo esto se ha verificado con éxito a través de experimentos prácticos y observaciones, cuyos resultados nos familiarizaremos un poco más adelante, porque primero los investigadores quieren explicarnos el principio de su tecnología milagrosa.

Principio de funcionamiento

La base de la teletransportación cuántica es la preparación de enredos y mediciones en la base de Bell, lo que conduce a la transferencia post-selectiva del estado cuántico ( 1a ).


Imagen No. 1

Al principio, el enredo se prepara entre el espín de electrones y el espín de carbono nuclear. Luego, la polarización de los fotones por espín de electrones en la base de Bell se mide por absorción de fotones para transferir el estado de polarización de fotones al estado de espín de carbono ( 1b , 1c ).

En el protocolo práctico de un sistema unidireccional de repetidores cuánticos con un centro NV en cada nodo, se emite un fotón desde un nodo, dejando el electrón enredado con este fotón ( 1d ). El éxito del almacenamiento de fotones en otro nodo establece el enredo entre dos nodos vecinos.

El centro NV cargado negativamente en el diamante consiste en una mezcla de nitrógeno ( ¹⁴ N) y una vacante adyacente ( V ), donde el electrón ( e ) se localiza en el estado triplete ( 1b ). El núcleo de electrones y nitrógeno tiene la propiedad spin 1, que constituye un sistema de tipo V de tres niveles con dos estados degenerados m _{s , I} = ± 1 (denotado como | ± 1⟩ _{e , N} ), que constituyen un qubit lógico, y el estado m _{s , I} = 0 (denotado por | 0⟩ _{e , N} ), que es un qubit auxiliar. Luego, se produce una división de campo cero (aproximadamente 2,87 GHz) para la división de cuadrupolo de electrones y nucleares (aproximadamente 4,95 MHz) para nitrógeno.

Por otro lado, el espín nuclear de carbono ( ¹³ C), débilmente unido al electrón a través de la interacción hiperfina (0.9 MHz en este trabajo), muestra la propiedad de espín 1/2, que constituye un sistema de dos niveles con dos estados degenerados m _I = ± 1/2 (denotado como | ↑⟩ , | ↓⟩ ) en un campo magnético cero ( 1c ).

Para preparar el entrelazamiento de espín entre los espines nucleares de electrones y de carbono, primero se inicializan en | 0⟩ _e , | ↓⟩ _. A pesar del hecho de que es difícil inicializar el espín de carbono nuclear en un campo magnético cero, la división del cuadrupolo nuclear del espín de nitrógeno nuclear utilizando un espín de electrones polarizado permite polarizar | + 1⟩ _N , que se utiliza como un nanomagnet para aplicar un campo magnético local a un electrón para la inicialización espín de carbono nuclear ( 1c ).


Imagen No. 2

A continuación, se usó luz roja para implementar CPT * (atrapamiento de población coherente), que excita resonantemente un electrón en un estado propio correlacionado con la órbita giratoria | 2⟩ = 1 / √2 (| +1, -1⟩ _{l, e} + | -1, + 1⟩ _{l, e} (lye denotan los momentos angulares orbitales y de giro del electrón), cuando la polarización circular derecha | + 1⟩ _p primero polariza el electrón en | + 1⟩ _e , y luego el nitrógeno nuclear gira en | + 1⟩ _N ( línea morada en 2a ).

La CPT * es un fenómeno cuando un conjunto de átomos "se atasca" coherentemente en un estado oscuro (un átomo o molécula no puede absorber fotones).

Por lo tanto, la degeneración del espín electrónico se elimina debido a la interacción hiperfina con el nitrógeno, lo que contribuye a la transición selectiva del espín nuclear de carbono de | ↓⟩ _C a | ↑⟩ _C (línea verde en 2a ). La figura 2b muestra los procesos de inicialización de los espines nucleares de nitrógeno y carbono.

El electrón se inicializa nuevamente a | 0⟩ _e con luz roja, el estado resonante | A l⟩. Luego, el electrón y el carbono se procesan usando radiación de microondas y una onda de radio para crear un enredo entre ellos en | ⁺ ⟩ _{e , C} = 1 / √2 (| + 1, ↑⟩ _{e , C} + | -1, ↓⟩ _{e , C} , que es uno de los cuatro estados de Bell, la Figura 2c muestra un diagrama cuántico de todo el proceso.

Además, se permite que el electrón absorba un fotón entrante con una polarización arbitraria, que excita al electrón en otro estado propio de la órbita giratoria. La absorción de un fotón proyecta el estado de polarización del fotón y el estado de espín del electrón en uno de los estados de Bell. La proyección del estado preparado, que consiste en una polarización arbitraria de fotones y un estado entrelazado de electrones y carbono, se expresa de la siguiente manera:



Como resultado, obtenemos el estado de polarización del fotón con la operación unitaria adicional σ _y .

Implementación experimental de teletransportación

Y ahora puedes pasar de las palabras (o más bien las fórmulas) a la acción. En primer lugar, se midió la correlación de fase entre el fotón de entrada y el carbono transferido, lo que muestra la conservación de la coherencia cuántica en la operación de transferencia.


Imagen No. 3

La Figura 3a muestra la dependencia de la polarización de fotones de la población de espines nucleares de carbono, medida a lo largo del eje | +⟩ _C - | -⟩ _C. Estos datos se obtuvieron midiendo el número de fotones después de aplicar una onda de radio y radiación de microondas, seguido de luz roja que resonaba con el estado | E x⟩. Como asumieron los científicos, se observa una fuerte correlación antifase, que indica la naturaleza cuántica de la transferencia.

Luego, los investigadores decidieron verificar la validez del proceso cuántico durante la transferencia de estado aplicando seis estados básicos de polarización de fotones ( 3b ), después de lo cual estimaron el estado del espín de carbono nuclear después de la transferencia en base a la tomografía del estado cuántico. La imagen 3b muestra los vectores Bloch para estados de espín nuclear de carbono transferidos desde seis polarizaciones de fotones.

Fidelidad * : en informática cuántica, esta es una medida de la proximidad de dos estados cuánticos. Expresa la probabilidad de que una de las condiciones pase la prueba, que la identifica como la segunda.

La fidelidad alcanzó un promedio de 78 ± 2%, que excede significativamente el límite clásico del 67% ( 3d ). Los vectores Bloch hicieron posible estimar el canal de transferencia cuántica, como se muestra en 3d . La precisión del proceso de transferencia fue del 76%. Esto sugiere que el canal de transferencia admite coherencia cuántica.

Una disminución en la fidelidad de la transferencia del estado cuántico se asocia con varios factores: imperfección del enredo y mediciones del estado de Bell, que es causada por la inicialización incompleta de los espines ( 3f ); mezcla de estados excitados orbitales debido a la deformación del cristal ( 3 g ); rotación de fase al medir el estado de la campana; errores de obturación

La fidelidad de la inicialización se puede mejorar repitiendo la secuencia de inicialización, y el efecto de la deformación del cristal se puede compensar identificando e _x y e _y , que son componentes x e y de la deformación. La rotación de fase se puede evitar inicializando el centrifugado de nitrógeno nuclear a | 0⟩ _N antes de la transferencia.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

Los propios investigadores dicen que su técnica aún está en pañales, como lo demuestra la transferencia exitosa del estado de polarización de un solo fotón, mientras que un pulso (200 nW, 20 ns) contiene alrededor de 10 ⁴ fotones. En consecuencia, la probabilidad de transferir al menos dos de ellos es del 2.5%. Esto no es astronómicamente pequeño, pero para alardear y alardear todavía no es suficiente, y los científicos entienden esto. En el futuro, tienen la intención de continuar mejorando su creación. Están seguros de que su trabajo será muy útil en la implementación de tecnologías tan esperadas por muchos como la computación cuántica, la comunicación cuántica y los almacenes de datos cuánticos. No importa cuánto tiempo lleve el proceso de creación de todas las tecnologías anteriores, esto definitivamente sucederá antes del lanzamiento de Portal 3 (lo siento, no pude resistirme).

¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)

Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes? Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 veces más barato? ¡Solo tenemos 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 199 en los Países Bajos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ¡desde $ 99! Lea sobre Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?