Bilim adamları, "Star Trek" teleportasyonunu başarmak için biraz daha yaklaştılar. Kimse galaksiden atlamalı, hatta etrafındaki insanları kirletmiyor, ama ilk kez, bir metre mesafeden - iki avlu arasında - iki ayrı atom arasında bilgi aktarılıyor.
Bu çabaya öncülük eden Maryland Üniversitesi Ortak Kuantum Enstitüsü'nden Christopher Monroe, kuantum bilgi işlem olarak bilinen bir alanda önemli bir kilometre taşı olduğunu söyledi.
Teleportasyon, doğanın en gizemli ulaşım biçimlerinden biridir: Bir parçacığın dönüşü veya fotonun kutuplaşması gibi kuantum bilgileri, herhangi bir fiziksel ortamdan geçmeden bir yerden diğerine aktarılır. Daha önce fotonlar (ışık gibi elektromanyetik radyasyonun bir birimi ya da kuantumu), fotonlar ve atom toplulukları arasında ve üçüncüsünün aracı eylemiyle iki yakın atom arasında gerçekleşmiştir.
Bununla birlikte, bunların hiçbiri, uzun mesafeler boyunca kuantum bilgilerinin tutulması ve yönetilmesi için makul bir yol sağlar.
Şimdi JQI ekibi, Michigan Üniversitesi'ndeki meslektaşlarıyla birlikte, kuantum halini doğrudan bir atomdan diğerine bir metreden fazla aktarmayı başardı. Bu kabiliyet, çalışılabilir kuantum bilgi sistemleri için gereklidir, çünkü bunlar, hem iletimin hem gönderme hem de alma uçlarında bellek depolaması gerektirecektir.
Derginin 23 Ocak sayısında Bilimbilim adamları, protokollerini kullanarak atomdan atomize edilmiş bilgilere, zamanın yaklaşık yüzde 90'ını mükemmel bir doğrulukla geri kazanabileceğini ve bu rakamın geliştirilebileceğini bildiriyorlar.
Monroe, “Sistemimiz, büyük mesafeler boyunca kuantum hatıralarını ağlayabilen büyük ölçekli bir 'kuantum tekrarlayıcı' için temel oluşturma potansiyeline sahiptir. "Ayrıca, yöntemlerimiz kuantum hesaplama için gerekli olan kilit bir bileşen oluşturmak için kuantum bit işlemleri ile birlikte kullanılabilir."
Bir kuantum bilgisayar, şifreleme ile ilgili hesaplamalar ve dev veritabanlarının aranması gibi belirli görevleri geleneksel makinelere göre oldukça daha hızlı gerçekleştirebilir. Bir çalışma modeli tasarlama çabası dünya çapında yoğun ilgi konusudur.
Işınlama ve dolanma
Fizikçi Richard Feynman, "kuantum mekaniğini anladığınızı düşünüyorsan, kuantum mekaniğini anlamıyorsunuz" demişti. Ya da bazen şöyle der: "Sanırım kimsenin kuantum mekaniğini anlayamadığını rahatlıkla söyleyebilirim."
Yine de, Maryland Üniversitesi, Monroe'nin çalışmalarını şöyle tarif ediyor.
Işınlama, atomik ve atom altı ölçeğinde meydana gelen dolaşıklık denilen olağanüstü bir kuantum fenomeni nedeniyle çalışır. İki nesne birbirine karışmış bir duruma getirildikten sonra, özellikleri ayrılmaz şekilde sarılır. Bu özellikler, bir ölçüm yapılıncaya kadar doğası gereği bilinemez olmakla birlikte, nesnelerden birinin ölçülmesi, ne kadar uzakta olursa olsun, diğerinin özelliklerini anında belirler.
JQI ekibi, iki ayrı ytterbiyum iyonunun kuantum durumlarını genişletmek için yola koyuldu, böylece birinin durumu içinde yer alan bilgiler diğerine ışınlanabilirdi. Her bir iyon ayrı bir yüksek vakumlu tuzak içinde izole edildi, görünmez bir elektromanyetik alan kafesine asıldı ve metal elektrotlarla çevrildi.
Araştırmacılar atomik kuantum bitinin veya "qubit" in "bit" değerlerinin bir alternatifi olarak işlev görecek olan iyonların iki tane kolayca anlaşılır zemin (en düşük enerji) durumunu belirlediler.
Bir kişisel bilgisayardaki gibi geleneksel elektronik bitler (ikili rakamlar için kısa), her zaman iki durumdan birindedir: kapalı veya açık, 0 veya 1, yüksek veya düşük voltaj, vb. Kuantum bitleri, bazılarında olabilir. Aynı anda her iki durumun "süperpozisyonu" olarak adlandırılan kombinasyon, aynı anda başlıklar ve kuyruklar olan bir sikke gibi - bir ölçüm yapılıncaya kadar. Kuantum hesaplamasının olağanüstü gücünü veren bu fenomendir.
Lazer nabız süreci başlatır
Deney sürecinin başlangıcında, her iyon (A ve B olarak adlandırılır) belirli bir zemin durumunda başlatılır.
Daha sonra iyon A, kafes elektrotlarından birinden özel olarak uyarlanmış bir mikrodalga fırlamasıyla ışınlanarak, iyonun iki kesişme durumunun istenen bir şekilde üst üste yerleştirilmesiyle gerçekleştirilir; böylece, ışınlanacak olan bilgiyi "hafızaya" "aktarabilir".
Bundan hemen sonra, her iki iyon da bir piko saniye (bir saniyenin trilyonda biri) lazer darbesiyle uyarılır. Darbe süresi o kadar kısa ki, her bir iyon, lazer tarafından kazanılan enerjiyi tuttuğu ve iki qubit toprak durumunun birine veya diğerine geri döndüğü için sadece bir tek fotonu yayar.
Düştüğü yere bağlı olarak, iyon, iki atomik alışkanlık durumuna karşılık gelen hafif dalga boylarında (kırmızı ve mavi olarak belirlenmiş) iki çeşit fotondan birini yayar. Sonunda, dolanma meydana geldiğini belirten bir işaret veren fotonlar arasındaki ilişkidir.
Beamsplitter karşılaşması
Yayılan her bir foton, ayrı bir fiber optik kablo şeridine yönlendirilen bir lens tarafından tutulur ve fotonun, dağıtıcıdan düz geçmesi veya yansıtılması için eşit derecede muhtemel olduğu 50-50 ışın ayırıcısına taşınır. Işın splitterinin her iki tarafında da, tek bir fotonun gelişini kaydedebilen detektörler vardır.
Kiriş ayırıcıya ulaşmadan önce, her bir foton, durumların bilinmeyen bir süperpozisyonundadır. Bununla birlikte, ışın dağıtıcıyla karşılaştıktan sonra, her biri belirli özellikleri alır.
Sonuç olarak, her bir foton çifti için, dört renk kombinasyonu mümkündür - mavi-mavi, kırmızı-kırmızı, mavi-kırmızı ve kırmızı-mavi - ve aynı zamanda iki polarizasyondan biri: yatay veya dikey. Bu varyasyonların hemen hemen hepsinde, fotonlar birbirini iptal eder veya her ikisi de aynı dedektörde biter. Ancak, her iki dedektörün de bir fotonu aynı anda kaydedeceği tek ve tek bir kombinasyon vardır.
Bununla birlikte, bu durumda hangi iyonun hangi fotonu ürettiğini söylemek imkansızdır çünkü bir detektöre gelen fotonun ışın dağıtıcıdan geçip geçmediği veya bunun tarafından yansıtılıp yansıtmadığı bilinemez.
Kuantum mekaniğinin kendine özgü yasaları sayesinde, içsel belirsizlik iyonları birbirine karışmış bir duruma yansıtır. Yani, her bir iyon iki olası durumun bir süperpozisyonundadır. Dedektörlerdeki fotonların eşzamanlı tespiti çoğu zaman meydana gelmez, böylece lazer uyarımı ve foton emisyon prosesi saniyede binlerce kez tekrarlanmalıdır. Ancak her bir dedektörde bir foton göründüğünde, iyonlar arasındaki dolambaçsız bir imza imzasıdır.
Karışık bir koşul belirlendiğinde, bilim adamları hemen bir iyon A ölçüsünü alırlar. Ölçme eylemi onu süperpozisyondan ve kesin bir duruma zorlar: iki alışkanlık durumundan biri.
Ancak, iyon A durumu iyon B'ye geri dönüşümsüz bağlandığından, ölçüm ayrıca B'yi tamamlayıcı duruma getirir. A iyonunun hangi durumda bulunduğuna bağlı olarak, araştırmacılar, orijinal mikrodalga fırlamasıyla iyon A'ya yazılan kesin bilgiyi geri kazanmak için iyon B'ye ne tür bir mikrodalga darbesinin uygulanacağını tam olarak biliyorlar. Bunu yapmak, bilgilerin doğru bir şekilde teleportasyonuyla sonuçlanır.
Işınlanma vs diğer iletişim
Bu sonucu, başka herhangi bir iletişim biçiminden ziyade ışınlanma olarak ayırt eden şey, orijinal belleğe ait hiçbir bilginin aslında iyon A ve iyon B arasında geçmemesidir. Bunun yerine, A iyonunun ölçülmesi ve mikrodalga darbesi ne zaman yeniden ortaya çıkması durumunda bilgi kaybolur. iyon B'ye uygulanır.
Monroe, "Bizim yöntemimizin özellikle çekici bir yönü, hem fotonların hem de atomların benzersiz avantajlarını birleştirmesidir" diyor. "Fotonlar uzun mesafelerde hızlı bilgi aktarımı için idealdir. Atomlar ise uzun ömürlü kuantum hafızası için değerli bir ortam sunar. Ayrıca, kuantum bilgilerinin bu şekilde ışınlanması, herhangi bir şekilde daha iyi performans gösterebilecek yeni bir kuantum internet türünün temelini oluşturabilir. Belirli görevler için klasik tip klasik ağ. "
Çalışma, ABD Ordusu Araştırma Bürosu sözleşmesi, Bilgi Sınırı Programında Ulusal Bilim Vakfı (NSF) Fiziği ve Ortak Kuantum Enstitüsü'nün NSF Fizik Sınır Merkezi altında İstihbarat İleri Araştırma Projesi Etkinliği programı tarafından desteklenmiştir.