Não Portal 3, mas próximo: teletransporte quântico de informações dentro de um diamante

Todos conhecemos vários super-heróis e suas habilidades únicas, gostemos ou não. Portanto, a questão de que tipo de superpotência você gostaria de ter não é tão rara. Alguém gostaria de ser incrivelmente forte, como o Hulk, alguém - rápido, como o Flash, e alguém não abriria mão das superpotências de Batman - dinheiro. Mas aqueles que pelo menos uma vez estavam em um engarrafamento de Marte a Vênus dariam tudo pela oportunidade de se teletransportar. O conceito de teletransporte parece muito empolgante do ponto de vista da ficção científica, mas, na realidade, essa superpotência também existe, mas longe das pessoas são dotadas dela. Hoje, encontraremos um estudo no qual cientistas da Universidade de Yokohama (Japão) foram capazes de teletransportar informações dentro de um diamante. Como os cientistas fizeram isso, qual é a física quântica de lado e o que isso significa para o futuro das tecnologias de armazenamento de dados? As respostas nos aguardam em um relatório de cientistas. Vamos lá

Base de estudo

Antes de tudo, vale a pena notar que o nome completo do fenômeno em discussão é teletransporte quântico. O princípio desse processo é crucial para a tecnologia da informação quântica. Por exemplo, para implementar a comunicação quântica, são necessários repetidores quânticos que transmitam um qubit (quantum bit) para um nó remoto sem revelar o estado desse qubit em si. Para procedimentos computacionais, o teletransporte ajudará a implementar a transferência segura de dados de entrada e saída por meio de comunicação quântica para computação quântica cega.

O aspecto mais importante do teletransporte quântico é a transferência de informações quânticas para o espaço inacessível, o que é bastante esperado, bem como a transmissão de informações de fótons para a memória quântica sem revelar ou destruir as informações quânticas armazenadas.

Neste trabalho, os cientistas demonstram um esquema de trabalho para transferir um estado quântico de polarização de fótons para o spin nuclear de um isótopo de carbono ligado ao centro NV * de um diamante.

O NV-center * é uma vaga substituída por nitrogênio no diamante, ou seja, um defeito pontual no diamante quando a estrutura de sua estrutura cristalina é violada devido à remoção do átomo de carbono do local da estrutura e à ligação da vaga ao átomo de nitrogênio.

O spin do carbono é primeiro entrelaçado com o spin do elétron, que é permitido absorver o fóton em seu próprio estado, correlacionado com a interação spin-órbita. A detecção de um elétron após o relaxamento no estado fundamental do spin permite a transferência pós-seletiva de uma polarização arbitrária de um fóton para a memória de carbono.

O esquema de transmissão no estado quântico permite que dispositivos de armazenamento quântico sejam implementados tanto para repetidores quânticos escaláveis ​​(repetidores) de comunicação de longa distância com sistemas quânticos quanto para computação quântica distribuída.

Neste trabalho, os cientistas foram capazes de iniciar e manipular com sucesso o spin nuclear do carbono através do nitrogênio como um nanomagnet para remover a degeneração do elétron, mantendo um campo magnético zero no spin nuclear do carbono. A seguir, é apresentado o processo de transferência do estado de polarização dos fótons para o estado quântico de spin, ou seja, teletransporte. Tudo isso foi verificado com sucesso por meio de experimentos e observações práticas, cujos resultados conheceremos um pouco mais tarde, porque primeiro os pesquisadores querem nos explicar o princípio de sua tecnologia milagrosa.

Princípio de funcionamento

A base do teletransporte quântico é a preparação de emaranhamento e medições na base de Bell, o que leva à transferência pós-seletiva do estado quântico ( 1a ).


Imagem Nº 1

No início, o entrelaçamento é preparado entre a rotação do elétron e a rotação do carbono nuclear. Então, a polarização dos fótons por rotação de elétrons na base de Bell é medida pela absorção de fótons, a fim de transferir o estado de polarização dos fótons para o estado de rotação de carbono ( 1b , 1c ).

No protocolo prático de um sistema unidirecional de repetidores quânticos com um centro NV em cada nó, um fóton é emitido a partir de um nó, deixando o elétron emaranhado com esse fóton ( 1d ). O sucesso do armazenamento de fótons em outro nó estabelece emaranhamento entre dois nós vizinhos.

O centro NV com carga negativa no diamante consiste em uma mistura de nitrogênio ( ¹⁴ N) e uma vaga adjacente ( V ), onde o elétron ( e ) está localizado no estado tripleto ( 1b ). O núcleo do elétron e do nitrogênio possui a propriedade spin 1, que constitui um sistema do tipo V de três níveis com dois estados degenerados m _{s , I} = ± 1 (denotado como | ± 1⟩ _{e , N} ), que formam um qubit lógico, e o estado m _{s , I} = 0 (indicado por | 0⟩ _{e , N} ), que é um qubit auxiliar. Em seguida, ocorre a divisão do campo zero (cerca de 2,87 GHz) para a divisão do elétron e do quadrupolo nuclear (cerca de 4,95 MHz) para o nitrogênio.

Por outro lado, o spin nuclear de carbono ( ¹³ C), fracamente ligado ao elétron por meio de interação hiperfina (0,9 MHz neste trabalho), mostra a propriedade 1/2 spin, que constitui um sistema de dois níveis com dois estados degenerados m _I = ± 1/2 (indicado como | ↑⟩ , | ↓⟩ ) em um campo magnético zero ( 1c ).

Para preparar o emaranhamento de rotação entre os spins nucleares de elétron e carbono, eles são inicializados em | 0⟩ _e , | ↓⟩ _. Apesar de ser difícil inicializar o spin nuclear de carbono em um campo magnético zero, a divisão quadrupolo nuclear do spin nuclear de nitrogênio usando um spin polarizado de elétrons torna possível polarizar | + 1⟩ _N , que é usado como nanomagnet para aplicar um campo magnético local a um elétron para inicialização spin de carbono nuclear ( 1c ).


Imagem No. 2

Em seguida, a luz vermelha foi usada para implementar o CPT * (aprisionamento coerente da população), que excita ressonantemente um elétron em um eigenstato correlacionado com órbita de rotação | 2⟩ = 1 / √2 (| +1, -1⟩ _{l, e} + | -1, + 1⟩ _{l, e} (l e e denotam o momento angular orbital e de rotação do elétron), quando a polarização circular direita | + 1⟩ _p primeiro polariza o elétron em | + 1⟩ _e , em seguida, o nitrogênio nuclear gira em | + 1⟩ _N ( linha roxa em 2a ).

CPT * é um fenômeno quando um conjunto de átomos "fica preso" de forma coerente em um estado escuro (um átomo ou molécula não pode absorver fótons).

Assim, a degenerescência do spin do elétron é removida devido à interação hiperfina com o nitrogênio, o que contribui para a transição seletiva do spin nuclear do carbono de | ↓⟩ _C para | ↑⟩ _C (linha verde em 2a ). A Figura 2b mostra os processos de inicialização dos spins nucleares de nitrogênio e carbono.

O elétron é novamente inicializado em | 0⟩ _e com luz vermelha, o estado ressonante | A l⟩. Então, o elétron e o carbono são processados ​​usando radiação de microondas e uma onda de rádio para criar emaranhamento entre eles em | ⁺ ⟩ _{e , C} = 1 / √2 (| + 1, ↑⟩ _{e , C} + | -1, ↓⟩ _{e , C} , que é um dos quatro estados de Bell, a Figura 2c mostra um diagrama quântico de todo o processo.

Além disso, é permitido ao elétron absorver um fóton recebido com uma polarização arbitrária, o que excita o elétron em outro eigenstato de órbita de rotação. A absorção de um fóton projeta o estado de polarização do fóton e o estado de rotação do elétron em um dos estados de Bell. A projeção do estado preparado, consistindo em uma polarização arbitrária de fótons e um estado de carbono-elétron emaranhado, é expressa da seguinte forma:



Como resultado, obtemos o estado de polarização do fóton com a operação unitária adicional σ _y .

Implementação experimental de teletransporte

E agora você pode passar de palavras (ou melhor, de fórmulas) para ação. Primeiramente, foi medida a correlação de fase entre o fóton de entrada e o carbono transferido, o que mostra a conservação da coerência quântica na operação de transferência.


Imagem No. 3

A Figura 3a mostra a dependência da polarização de fótons na população de rotações nucleares de carbono, medida ao longo do eixo | +⟩ _C - | -⟩ _C. Esses dados foram obtidos medindo o número de fótons após a aplicação de uma onda de rádio e radiação de microondas, seguida de luz vermelha ressoando com o estado | E x⟩. Como os cientistas assumiram, uma forte correlação antifase é observada, indicando a natureza quântica da transferência.

Em seguida, os pesquisadores decidiram verificar a validade do processo quântico durante a transferência de estado aplicando seis estados básicos de polarização de fótons ( 3b ), após o que estimaram o estado do spin do carbono nuclear após a transferência com base na tomografia do estado quântico. A imagem 3b mostra os vetores Bloch para os estados de spin nuclear do carbono transferidos de seis polarizações de fótons.

Fidelidade * - em informática quântica, essa é uma medida da proximidade de dois estados quânticos. Expressa a probabilidade de uma das condições passar no teste, que a identifica como a segunda.

A fidelidade atingiu uma média de 78 ± 2%, o que excede significativamente o limite clássico de 67% ( 3d ). Os vetores de Bloch tornaram possível estimar o canal de transferência quântica, como mostrado em 3d . A precisão do processo de transferência foi de 76%. Isso sugere que o canal de transferência suporta coerência quântica.

Uma diminuição na fidelidade da transferência do estado quântico está associada a vários fatores: imperfeição das medidas de emaranhamento e estado de Bell, causada pela inicialização incompleta dos spins ( 3f ); mistura de estados excitados orbitais devido a deformação de cristais ( 3g ); rotação de fase ao medir o estado de Bell; erros do obturador.

A fidelidade da inicialização pode ser aprimorada repetindo a sequência de inicialização, e o efeito da deformação do cristal pode ser compensado pela identificação de e _x e e _y , que são os componentes x e y da deformação. A rotação de fase pode ser evitada inicializando a rotação do nitrogênio nuclear em | 0⟩ _N antes da transferência.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Os próprios pesquisadores dizem que sua técnica ainda está em sua infância, como evidenciado pela transferência bem-sucedida do estado de polarização de apenas um fóton, enquanto um pulso (200 nW, 20 ns) contém cerca de 10 ⁴ fótons. Consequentemente, a probabilidade de transferir pelo menos dois deles é de 2,5%. Isso não é astronomicamente pequeno, mas para se gabar e bravata ainda não é suficiente, e os cientistas entendem isso. No futuro, eles pretendem continuar melhorando sua ideia. Eles têm certeza de que seu trabalho será muito útil na implementação de tecnologias tão esperadas por muitos como computação quântica, comunicação quântica e data warehouses quânticos. Não importa quanto tempo leve o processo de criação de todas as tecnologias acima, isso definitivamente acontecerá antes do lançamento do Portal 3 (desculpe, eu não pude resistir).

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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