Bukan Portal 3, tapi tutup: teleportasi kuantum informasi di dalam berlian

Kita semua akrab dengan berbagai pahlawan super dan kemampuan unik mereka, suka atau tidak. Karenanya, pertanyaan tentang negara adikuasa macam apa yang ingin Anda miliki tidak terlalu jarang. Seseorang ingin menjadi sangat kuat, seperti Hulk, seseorang - cepat, seperti Flash, dan seseorang tidak akan menyerahkan kekuatan super Batman - uang. Tetapi mereka yang setidaknya sekali dalam kemacetan lalu lintas dari Mars ke Venus akan memberikan segalanya untuk kesempatan untuk berteleportasi. Konsep teleportasi terdengar sangat menarik dari sudut pandang fiksi ilmiah, tetapi dalam kenyataannya kekuatan super ini juga ada, tetapi jauh dari orang yang diberkahi dengan itu. Hari ini kami akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari Universitas Yokohama (Jepang) dapat mengirim informasi ke dalam berlian. Bagaimana para ilmuwan melakukan ini, bagaimana menyamping adalah fisika kuantum, dan apa artinya ini bagi masa depan teknologi penyimpanan data? Jawaban menunggu kita dalam laporan oleh para ilmuwan. Ayo pergi.

Dasar studi

Pertama-tama, perlu dicatat bahwa nama lengkap dari fenomena yang dibahas adalah teleportasi kuantum. Prinsip dari proses ini sangat penting untuk teknologi informasi kuantum. Misalnya, untuk menerapkan komunikasi kuantum, repeater kuantum diperlukan yang akan mengirimkan qubit (bit kuantum) ke node jarak jauh tanpa mengungkapkan keadaan qubit ini sendiri. Untuk prosedur komputasi, teleportasi akan membantu mengimplementasikan transfer data input dan output yang aman melalui komunikasi kuantum untuk komputasi blind quantum.

Aspek yang paling penting dari teleportasi kuantum adalah transfer informasi kuantum ke ruang yang tidak dapat diakses, yang diharapkan, serta transfer informasi foton ke memori kuantum tanpa mengungkapkan atau menghancurkan informasi kuantum yang disimpan.

Dalam karya ini, para ilmuwan menunjukkan skema kerja untuk mentransfer keadaan kuantum polarisasi foton ke putaran nuklir isotop karbon yang terikat ke pusat NV * berlian.

NV-center * adalah lowongan yang tersubstitusi nitrogen dalam berlian, mis. cacat titik pada berlian ketika struktur kisi kristalnya dilanggar karena dihilangkannya atom karbon dari situs kisi dan pengikatan kekosongan pada atom nitrogen.

Spin karbon pertama kali terjerat dengan spin elektron, yang kemudian diizinkan untuk menyerap foton dalam keadaannya sendiri, berkorelasi dengan interaksi spin-orbit. Deteksi elektron setelah relaksasi dalam keadaan dasar putaran memungkinkan transfer pasca selektif dari polarisasi sewenang-wenang dari foton ke memori karbon.

Skema transmisi quantum-state memungkinkan perangkat penyimpanan kuantum diimplementasikan baik untuk repeater kuantum yang dapat diskalakan (repeater) komunikasi jarak jauh dengan sistem kuantum dan untuk komputasi kuantum terdistribusi.

Dalam karya ini, para ilmuwan berhasil memulai dan memanipulasi putaran karbon nuklir melalui nitrogen sebagai nanomagnet untuk menghilangkan degenerasi elektron, mempertahankan medan magnet nol pada putaran nuklir karbon. Berikut ini adalah proses pemindahan keadaan polarisasi foton ke keadaan kuantum putaran, yaitu teleportasi. Semua ini telah berhasil diverifikasi melalui eksperimen dan pengamatan praktis, yang hasilnya akan kita kenali sedikit kemudian, karena pertama-tama para peneliti ingin menjelaskan kepada kami prinsip teknologi keajaiban mereka.

Prinsip kerja

Basis teleportasi kuantum adalah persiapan keterjeratan dan pengukuran dalam basis Bell, yang mengarah pada transfer post-selektif keadaan kuantum ( 1a ).


Gambar No. 1

Pada awalnya, keterikatan disiapkan antara spin elektron dan spin karbon nuklir. Kemudian, polarisasi foton dengan spin elektron dalam basis Bell diukur dengan penyerapan foton untuk mentransfer keadaan polarisasi foton ke keadaan spin karbon ( 1b , 1c ).

Dalam protokol praktis dari sistem satu arah repeater kuantum dengan pusat NV di setiap node, foton dipancarkan dari satu node, meninggalkan elektron terjerat dengan foton ini ( 1d ). Keberhasilan menyimpan foton di simpul lain membentuk keterikatan antara dua simpul yang bertetangga.

Pusat NV bermuatan negatif dalam berlian terdiri dari campuran nitrogen ( ¹⁴ N) dan kekosongan yang berdekatan ( V ), di mana elektron ( e ) terlokalisasi dalam keadaan triplet ( 1b ). Inti elektron dan nitrogen memiliki sifat spin 1, yang membentuk sistem tipe V tiga tingkat dengan dua keadaan degenerasi ms _{, I} = ± 1 (dilambangkan sebagai | ± 1⟩ _{e , N} ), yang membentuk qubit logis, dan state ms _{, I} = 0 (dilambangkan dengan | 0⟩ _{e , N} ), yang merupakan qubit tambahan. Kemudian, pemisahan medan nol (sekitar 2,87 GHz) untuk pemisahan elektron dan quadrupole nuklir (sekitar 4,95 MHz) untuk nitrogen terjadi.

Di sisi lain, spin nuklir karbon ( ¹³ C), yang berikatan lemah dengan elektron melalui interaksi hyperfine (0,9 MHz dalam pekerjaan ini), menunjukkan properti spin 1/2, yang merupakan sistem dua tingkat dengan dua degenerasi m _I = ± 1/2 keadaan (dilambangkan sebagai | ↑⟩ , | ↓⟩ ) dalam medan magnet nol ( 1c ).

Untuk mempersiapkan keterikatan putaran antara elektron dan putaran nuklir karbon, mereka pertama kali diinisialisasi pada | 0⟩ _e , | ↓⟩ _. Terlepas dari kenyataan bahwa sulit untuk menginisialisasi spin karbon nuklir dalam medan magnet nol, pemisahan quadrupole nuklir dari spin nitrogen nuklir menggunakan spin elektron terpolarisasi memungkinkan untuk mempolarisasi | + 1⟩ _N , yang digunakan sebagai nanomagnet untuk menerapkan medan magnet lokal ke elektron untuk inisialisasi. putaran karbon nuklir ( 1c ).


Gambar No. 2

Selanjutnya, lampu merah digunakan untuk mengimplementasikan CPT * (penjebak populasi yang koheren), yang secara resonansi menggairahkan elektron dalam keadaan eigenstate berkorelasi spin-orbit | 2⟩ = 1 / √2 (| +1, -1⟩ _{l, e} + | -1, + 1⟩l _{, e} (l dan e menunjukkan orbital dan momen sudut spin elektron), ketika polarisasi sirkular kanan | + 1⟩p pertama-tama mempolarisasi elektron dalam | + 1⟩ _e , dan kemudian nitrogen nuklir berputar di | + 1⟩ _N ( garis ungu pada 2a ).

CPT * adalah fenomena ketika satu set atom secara koheren "terjebak" dalam keadaan gelap (atom atau molekul tidak dapat menyerap foton).

Dengan demikian, degenerasi spin elektron dihilangkan karena interaksi hyperfine dengan nitrogen, yang berkontribusi pada transisi selektif dari putaran nuklir karbon dari | ↓⟩ _C ke | ↑⟩ _C (garis hijau pada 2a ). Gambar 2b menunjukkan proses inisialisasi spin nuklir nitrogen dan karbon.

Elektron sekali lagi diinisialisasi ke | 0⟩ _e dengan lampu merah, keadaan resonansi | A l⟩. Kemudian elektron dan karbon diproses menggunakan radiasi gelombang mikro dan gelombang radio untuk menciptakan keterikatan di antara mereka di | ⁺ ⟩ _{e , C} = 1 / √2 (| + 1, ↑⟩ _{e , C} + | -1, ↓⟩ _{e , C} , yang merupakan salah satu dari empat negara bagian Bell, Gambar 2c menunjukkan diagram kuantum dari keseluruhan proses.

Lebih lanjut, elektron diizinkan untuk menyerap foton yang masuk dengan polarisasi yang sewenang-wenang, yang menggairahkan elektron dalam keadaan eigen spin-orbit yang lain. Penyerapan foton memproyeksikan keadaan polarisasi foton dan keadaan spin elektron di salah satu negara Bell. Proyeksi keadaan disiapkan, terdiri dari polarisasi sembarang foton dan keadaan elektron-karbon terjerat, dinyatakan sebagai berikut:



Sebagai hasilnya, kami memperoleh keadaan polarisasi foton dengan operasi kesatuan tambahan σ _y .

Implementasi teleportasi eksperimental

Dan sekarang Anda dapat beralih dari kata-kata (atau lebih tepatnya rumus) ke tindakan. Pertama-tama, korelasi fase antara foton input dan karbon yang ditransfer diukur, yang menunjukkan konservasi koherensi kuantum dalam operasi transfer.


Gambar No. 3

Gambar 3a menunjukkan ketergantungan polarisasi foton pada populasi karbon inti berputar, diukur sepanjang sumbu | +⟩ _C - | -⟩ _C. Data ini diperoleh dengan mengukur jumlah foton setelah menerapkan gelombang radio dan radiasi gelombang mikro, diikuti oleh lampu merah yang beresonansi dengan keadaan | E x⟩. Seperti yang diasumsikan oleh para ilmuwan, korelasi antiphase yang kuat diamati, menunjukkan sifat kuantum transfer.

Kemudian para peneliti memutuskan untuk memeriksa validitas proses kuantum selama transfer negara dengan menerapkan enam keadaan dasar polarisasi foton ( 3b ), setelah itu mereka memperkirakan keadaan putaran karbon nuklir setelah transfer berdasarkan pada tomografi keadaan kuantum. Gambar 3b menunjukkan vektor Bloch untuk keadaan spin karbon nuklir yang ditransfer dari enam polarisasi foton.

Fidelity * - dalam informatika kuantum ini adalah ukuran kedekatan dua keadaan kuantum. Ini mengungkapkan kemungkinan bahwa salah satu kondisi akan lulus tes, yang mengidentifikasi sebagai yang kedua.

Fidelity mencapai rata-rata 78 ± 2%, yang secara signifikan melebihi batas klasik 67% ( 3d ). Vektor Bloch memungkinkan untuk memperkirakan saluran transfer kuantum, seperti yang ditunjukkan dalam 3d . Keakuratan proses transfer adalah 76%. Ini menunjukkan bahwa saluran transfer mendukung koherensi kuantum.

Penurunan kesetiaan transfer status quantum dikaitkan dengan beberapa faktor: ketidaksempurnaan keterjeratan dan pengukuran status Bell, yang disebabkan oleh inisialisasi putaran yang tidak lengkap ( 3f ); pencampuran keadaan tereksitasi orbital karena deformasi kristal ( 3g ); rotasi fase saat mengukur keadaan Bell; kesalahan rana.

Kesetiaan inisialisasi dapat ditingkatkan dengan mengulangi urutan inisialisasi, dan efek deformasi kristal dapat diimbangi dengan mengidentifikasi e _x dan e _y , yang merupakan komponen x dan y dari deformasi. Rotasi fase dapat dihindari dengan menginisialisasi putaran nitrogen nuklir pada | 0⟩ _N sebelum transfer.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Para peneliti sendiri mengatakan bahwa teknik mereka masih dalam masa pertumbuhan, sebagaimana dibuktikan oleh transfer yang sukses dari keadaan polarisasi hanya satu foton, sementara satu pulsa (200 nW, 20 ns) berisi sekitar 10 ⁴ foton. Akibatnya, kemungkinan mentransfer setidaknya dua dari mereka adalah 2,5%. Ini tidak kecil secara astronomis, tetapi untuk menyombongkan diri dan keberanian itu masih belum cukup, dan para ilmuwan memahami hal ini. Di masa depan, mereka berniat untuk terus meningkatkan gagasan mereka. Mereka yakin bahwa pekerjaan mereka akan sangat berguna dalam implementasi teknologi yang sangat diharapkan oleh banyak orang seperti komputasi kuantum, komunikasi kuantum, dan gudang data kuantum. Tidak peduli berapa lama proses pembuatan semua teknologi di atas, ini pasti akan terjadi lebih awal dari rilis Portal 3 (maaf, saya tidak bisa menolak).

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?