Nous connaissons tous différents super-héros et leurs capacités uniques, que cela nous plaise ou non. Par conséquent, la question du type de superpuissance que vous aimeriez avoir n'est pas si rare. Quelqu'un aimerait être incroyablement fort, comme Hulk, quelqu'un - rapide, comme Flash, et quelqu'un ne renoncerait pas aux super pouvoirs de Batman - de l'argent. Mais ceux qui au moins une fois étaient dans un embouteillage de Mars à Vénus donneraient tout pour se téléporter. Le concept de téléportation semble très excitant du point de vue de la science-fiction, mais en réalité, cette superpuissance existe également, mais loin des gens en sont dotés. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université de Yokohama (Japon) ont pu téléporter des informations à l'intérieur d'un diamant. Comment les scientifiques ont-ils fait cela, quel est le côté de la physique quantique, et qu'est-ce que cela signifie pour l'avenir des technologies de stockage de données? Des réponses nous attendent dans un rapport de scientifiques. Allons-y.
Base d'étude
Tout d'abord, il convient de noter que le nom complet du phénomène en discussion est la téléportation quantique. Le principe de ce processus est crucial pour la technologie de l'information quantique. Par exemple, pour mettre en œuvre une communication quantique, des répéteurs quantiques sont nécessaires pour transmettre un qubit (bit quantique) à un nœud distant sans révéler l'état de ce qubit lui-même. Pour les procédures de calcul, la téléportation aidera à mettre en œuvre le transfert sécurisé des données d'entrée et de sortie via la communication quantique pour l'informatique quantique aveugle.
L'aspect le plus important de la téléportation quantique est le transfert d'informations quantiques vers un espace inaccessible, ce qui est normal, ainsi que le transfert d'informations photoniques vers la mémoire quantique sans révéler ni détruire les informations quantiques stockées.
Dans ce travail, les scientifiques démontrent un schéma de travail pour transférer un état quantique de polarisation des photons au spin nucléaire d'un isotope de carbone lié au
centre NV * d'un diamant.
NV-center * est une lacune substituée par l'azote dans le diamant, c'est-à-dire un défaut ponctuel dans le diamant lorsque la structure de son réseau cristallin est violée en raison de l'élimination d'un atome de carbone du site du réseau et de la liaison de la vacance résultante à un atome d'azote.
Le spin du carbone est d'abord enchevêtré avec le spin des électrons, qui est ensuite autorisé à absorber le photon dans son propre état, en corrélation avec l'interaction spin-orbite. La détection d'un électron après relaxation dans l'état fondamental du spin permet le transfert post-sélectif d'une polarisation arbitraire d'un photon vers la mémoire du carbone.
Le schéma de transmission à état quantique permet aux dispositifs de stockage quantique d'être mis en œuvre à la fois pour des répéteurs quantiques évolutifs (répéteurs) de communication à longue distance avec des systèmes quantiques et pour l'informatique quantique distribuée.
Dans ce travail, les scientifiques ont réussi à initier et à manipuler avec succès le spin du carbone nucléaire à travers l'azote comme un nanomagnet pour supprimer la dégénérescence de l'électron, en maintenant un champ magnétique nul sur le spin nucléaire du carbone. Ce qui suit est le processus de transfert de l'état de polarisation des photons à l'état quantique de spin, c'est-à-dire la téléportation. Tout cela a été vérifié avec succès grâce à des expériences et des observations pratiques, dont nous allons familiariser les résultats un peu plus tard, car les chercheurs veulent d'abord nous expliquer le principe de leur technologie miracle.
Principe de fonctionnement
La base de la téléportation quantique est la préparation de l'intrication et des mesures dans la base de Bell, ce qui conduit au transfert post-sélectif de l'état quantique (
1a ).
Image n ° 1Au début, l'intrication se prépare entre le spin électronique et le spin nucléaire du carbone. Ensuite, la polarisation des photons par spin d'électrons dans la base de Bell est mesurée par absorption de photons afin de transférer l'état de polarisation des photons à l'état de spin du carbone (
1b ,
1c ).
Dans le protocole pratique d'un système unidirectionnel de répéteurs quantiques avec un centre NV à chaque nœud, un photon est émis par un nœud, laissant l'électron enchevêtré avec ce photon (
1d ). Le succès du stockage des photons dans un autre nœud établit l'intrication entre deux nœuds voisins.
Le centre NV chargé négativement dans le diamant se compose d'un mélange d'azote (
14 N) et d'un vide adjacent (
V ), où l'électron (
e ) est localisé à l'état de triplet (
1b ). L'électron et le noyau d'azote ont la propriété spin 1, qui constitue un système de type V à trois niveaux avec deux états dégénérés
m s , I = ± 1 (noté | ± 1⟩
e , N ), qui constituent un qubit logique, et l'état
m s , I = 0 (noté | 0⟩
e , N ), qui est un qubit auxiliaire. Ensuite, il se produit une séparation de champ nul (environ 2,87 GHz) pour l'électron et une séparation nucléaire quadripolaire (environ 4,95 MHz) pour l'azote.
D'autre part, le spin nucléaire de carbone (
13 C), faiblement lié à l'électron par interaction hyperfine (0,9 MHz dans ce travail), montre la propriété 1/2 spin, qui constitue un système à deux niveaux avec deux états dégénérés
m I = ± 1/2 (noté | ↑⟩
, | ↓⟩
) dans un champ magnétique nul (
1c ).
Pour préparer l'enchevêtrement de spin entre les spins nucléaires d'électrons et de carbone, ils sont d'abord initialisés à | 0⟩
e , | ↓⟩
. Malgré le fait qu'il soit difficile d'initialiser le spin de carbone nucléaire dans un champ magnétique nul, la séparation quadripolaire nucléaire du spin d'azote nucléaire à l'aide d'un spin d'électrons polarisés permet de polariser | + 1⟩
N , qui est utilisé comme un nanomagnet pour appliquer un champ magnétique local à un électron pour l'initialisation spin de carbone nucléaire (
1c ).
Image n ° 2Ensuite, la lumière rouge a été utilisée pour mettre en œuvre le
CPT * (piégeage de population cohérent), qui excite de manière résonnante un électron dans un état propre corrélé spin-orbite | 2⟩ = 1 / √2 (| +1, -1⟩
l, e + | -1, + 1⟩
l, e (l et
e désignent les moments angulaire orbital et de spin de l'électron), lorsque la polarisation circulaire droite | + 1⟩
p polarise d'abord l'électron en | + 1⟩
e , puis le spin de l'azote nucléaire en | + 1⟩
N ( ligne violette sur
2a ).
Le CPT * est un phénomène lorsqu'un ensemble d'atomes «se coince» de manière cohérente dans un état sombre (un atome ou une molécule ne peut pas absorber les photons).
Ainsi, la dégénérescence du spin électronique est supprimée en raison de l'interaction hyperfine avec l'azote, qui contribue à la transition sélective du spin nucléaire du carbone de | ↓⟩
C à | ↑⟩
C (ligne verte à
2a ). La figure
2b montre les processus d'initialisation des spins nucléaires d'azote et de carbone.
L'électron est à nouveau initialisé à | 0⟩
e avec de la lumière rouge, l'état de résonance | A l⟩. Ensuite, l'électron et le carbone sont traités en utilisant un rayonnement micro-ondes et une onde radio pour créer un enchevêtrement entre eux à |
+ ⟩
e , C = 1 / √2 (| + 1, ↑⟩
e , C + | -1, ↓⟩
e , C , qui est l'un des quatre états de Bell, la figure
2c montre un diagramme quantique de l'ensemble du processus.
En outre, l'électron est autorisé à absorber un photon entrant avec une polarisation arbitraire, qui excite l'électron dans un autre état propre en orbite de spin. L'absorption d'un photon projette l'état de polarisation du photon et l'état de spin de l'électron dans l'un des états de Bell. La projection de l'état préparé, consistant en une polarisation arbitraire des photons et un état électron-carbone enchevêtré, s'exprime comme suit:
En conséquence, nous obtenons l'état de polarisation du photon avec l'opération unitaire supplémentaire σ
y .
Mise en œuvre expérimentale de la téléportation
Et maintenant, vous pouvez passer des mots (ou plutôt des formules) à l'action. Tout d'abord, la corrélation de phase entre le photon d'entrée et le carbone transféré a été mesurée, ce qui montre la conservation de la cohérence quantique dans l'opération de transfert.
Image n ° 3La figure
3a montre la dépendance de la polarisation des photons sur la population de spins nucléaires de carbone, mesurée le long de l'axe | +⟩
C - | -⟩
C. Ces données ont été obtenues en mesurant le nombre de photons après application d'une onde radio et d'un rayonnement micro-ondes, suivis d'une lumière rouge résonnant avec l'état | E x⟩. Comme l'ont supposé les scientifiques, une forte corrélation antiphase est observée, indiquant la nature quantique du transfert.
Ensuite, les chercheurs ont décidé de vérifier la validité du processus quantique pendant le transfert d'état en appliquant six états de base de la polarisation photonique (
3b ), après quoi ils ont estimé l'état du spin du carbone nucléaire après le transfert en se basant sur la tomographie de l'état quantique. L'image
3b montre les vecteurs Bloch pour les états de spin nucléaire du carbone transférés de six polarisations de photons.
Fidelity * - en informatique quantique, il s'agit d'une mesure de la proximité de deux états quantiques. Il exprime la probabilité qu'une des conditions réussisse le test, ce qui l'identifie comme la seconde.
La fidélité a atteint une moyenne de 78 ± 2%, ce qui dépasse considérablement la limite classique de 67% (
3d ). Les vecteurs Bloch ont permis d'estimer le canal de transfert quantique, comme illustré en
3d . La précision du processus de transfert était de 76%. Cela suggère que le canal de transfert prend en charge la cohérence quantique.
Une diminution de la fidélité du transfert de l'état quantique est due à plusieurs facteurs: l'imperfection des mesures de l'intrication et de l'état de Bell, qui est causée par une initialisation incomplète des spins (
3f ); mélange d'états orbitaux excités dus à la déformation cristalline (
3g ); rotation de phase lors de la mesure de l'état de Bell; erreurs d'obturation.
La fidélité de l'initialisation peut être améliorée en répétant la séquence d'initialisation, et l'effet de la déformation du cristal peut être compensé en identifiant e
x et e
y , qui sont les composantes
x et
y de la déformation. La rotation de phase peut être évitée en initialisant le spin d'azote nucléaire à | 0⟩
N avant le transfert.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques et
les documents supplémentaires qui s'y rapportent.
Épilogue
Les chercheurs eux-mêmes disent que leur technique est encore à ses balbutiements, comme en témoigne le transfert réussi de l'état de polarisation d'un seul photon, tandis qu'une impulsion (200 nW, 20 ns) contient environ 10
4 photons. Par conséquent, la probabilité de transférer au moins deux d'entre eux est de 2,5%. Ce n'est pas astronomique, mais pour la vantardise et la bravade, ce n'est toujours pas suffisant, et les scientifiques le comprennent. À l'avenir, ils ont l'intention de continuer à améliorer leur idée originale. Ils sont sûrs que leur travail sera très utile dans la mise en œuvre de technologies tant attendues par beaucoup comme l'informatique quantique, la communication quantique et les entrepôts de données quantiques. Peu importe la durée du processus de création de toutes les technologies ci-dessus, cela se produira certainement avant la sortie de Portal 3 (désolé, je n'ai pas pu résister).
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