Δημιουργήθηκαν κατά παραγγελία ζεύγη ατόμων-φωτονίων σε κατάσταση "διεμπλοκής".

Κβαντική διεμπλοκή κατά παραγγελία

Η πρώτη διάταξη, που μπορεί να παράγει ζεύγη ατόμων-φωτονίων σε κβαντική διεμπλοκή κατά παραγγελία, δημιουργήθηκε από φυσικούς στις ΗΠΑ. 

Το σύστημα χρησιμοποιεί ένα 1D οπτικό δικτυωτό πλέγμα υπέρψυχρων ατόμων που εκπέμπει ένα μόνο φωτόνιο. Ωστόσο, σε αντίθεση με προηγούμενα πειράματα, στα οποία η κβαντική κατάσταση των ατόμων καταστρέφεται αμέσως μετά την εκπομπή φωτονίων, η ατομική κατάσταση παραμένει και διεμπλέκεται με το φωτόνιο. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό του συστήματος είναι ότι είναι ντετερμινιστικό και παράγει "διμπλεγμένες" καταστάσεις κατά παραγγελία. Μαζί, αυτές οι ιδιότητες θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για τη δημιουργία δικτύων για την επεξεργασία και τη διανομή κβαντικών πληροφοριών.

Η διεμπλοκή είναι ένα καθαρά κβαντομηχανικό φαινόμενο που επιτρέπει σε δύο σωματίδια να έχουν μια πολύ στενότερη σχέση από ότι επιτρέπεται από την κλασσική φυσική. Αυτή η σχέση μπορεί να αξιοποιηθεί σε κβαντικά συστήματα πληροφοριών και οι φυσικοί είναι πρόθυμοι να δημιουργήσουν διεμπλακή συστημάτων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πρακτικές εφαρμογές. Ειδικότερα, οι ερευνητές θα ήθελαν να εμπλέξουν οπτικά φωτόνια - τα οποία μπορούν να μεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες σε απόσταση εκατοντάδων χιλιομέτρων - με τη σταθερή στάση κβαντικά bits (qubits), όπως παγιδευμένα άτομα. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι μπορεί να είναι πολύ δύσκολο να κάνει φωτόνια να αλληλεπιδρούν με τόσο σταθερά qubits με αξιόπιστο τρόπο.

Αποκλεισμένα άτομα

Καταστάσεις Rydberg σε σύνολα υπέρψυχρων ατόμων προσφέρουν μια πορεία προς τα εμπρός, διότι αυτές οι εξαιρετικά διεγερμένες καταστάσεις αλληλεπιδρούν πολύ ισχυρά με το φως. Είναι σαν ένα άτομο Rydberg, στο οποίο ένα ηλεκτρόνιο προάγεται σε πολύ υψηλή ενεργειακή κατάσταση. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή το ηλεκτρόνιο δεν σχετίζεται με ένα συγκεκριμένο άτομο, αλλά μάλλον με ολόκληρο σύνολο. Χάρη σε ένα αποτέλεσμα που ονομάζεται το "αποκλεισμός διέγερσης Rydberg", μόνο μία κατάσταση Rydberg κάθε φορά μπορεί να συμβεί σε ένα σύνολο ατόμων, που σημαίνει ότι μόνο ένα φωτόνιο εκπέμπεται ή απορροφάται.

Ενώ οι φυσικοί παλιά ήταν σε θέση να αποθηκεύσουν και να εκπέμψουν φωτόνια που χρησιμοποιούν Rydberg καταστάσεις, οποιαδήποτε διεμπλοκή δεν αντέχει στα άτομα για αρκετό χρόνο ώστε να μετρηθεί. Τώρα, ο Alex Kuzmich και οι συνεργάτες του στο Georgia Institute of Technology έχουν καταλήξει σε έναν τρόπο για να μπλέξουν φωτόνια και καταστάσεις Rydberg για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα.

Το πείραμα ξεκινάει με την ψύξη ενός αερίου ατόμων ρουβιδίου-87 σε θερμοκρασίες microkelvin. Ένα πεδίο λέιζερ στη συνέχεια ενεργοποιείται για να δημιουργήσει ένα 1D οπτικό πλέγμα που περιέχει περίπου 500 άτομα σε μια γραμμή. Το σύνολο τοποθετείται στη συνέχεια σε μια συλλογική κατάσταση Rydberg με ζάπινγκ με παλμούς λέιζερ. Περισσότεροι παλμοί, στη συνέχεια εκτοξεύονται στο ατομικό σύνολο για να παράγουν μια διεμπλεγμένη κατάσταση ενός φωτονίου και κατάστασης "spin-wave" που παραμένει στο ατομικό σύνολο.

Η φάση του εκπεμπόμενου φωτονίου συνέχεια μετράται. Για να επιβεβαιωθεί ότι το φωτόνιο είναι διεμπλεγμένο με τον ατομικό σύνολο, οι περισσότεροι παλμοί εκτοξεύονται στα άτομα, προκαλώντας τα να εκπέμψουν ένα δεύτερο φωτόνιο που είναι χαρακτηριστικό της κατάστασης spin-wave.

Συσχετίσεις Φάσης

Η φάση αυτού του δεύτερου φωτονίου μετράται και επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία πολλές φορές, ο συσχετισμός μεταξύ των φάσεων των δύο φωτονίων προσδιορίζεται. Η ομάδα διαπίστωσε ότι η συσχέτιση είναι μεγαλύτερη από εκείνη που επιτρέπεται από την κλασσική φυσική και ως εκ τούτου το φωτόνιο και το ατομικό σύνολο είναι διεμπλεγμένα.

Μεταβάλλοντας την καθυστέρηση μεταξύ των εκπομπών των δύο φωτονίων, η ομάδα ήταν σε θέση να εργαστούν από όσο καιρό η εμπλοκή άντεχε στο ατομικό σύνολο - που οι ερευνητές υπολογίζουν να είναι λίγα μικροδευτερόλεπτα. Αν και αυτό δεν ακούγεται μεγάλο, είναι αρκετό για να επιτρέψει στο φωτόνιο να ταξιδέψει μερικές εκατοντάδες μέτρα, γεγονός που σημαίνει ότι πολλά τέτοια σύνολα ατόμων θα μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους σε ένα εργαστήριο για να δημιουργήσουν ένα απλό κύκλωμα για επεξεργασία των κβαντικών πληροφοριών.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του συστήματος είναι ότι η διεμπλοκή είναι ντετερμινιστική - τουλάχιστον κατ' αρχήν. Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα διεμπλεγμένο ζεύγος κάθε φορά, εάν θα μπορούσε να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας ένα τέλειο πειραματικό set-up. Αυτό είναι διαφορετικό από πολλά άλλα συστήματα για τη δημιουργία διεμπλοκής, τα οποία είναι πιθανοκρατικά και δεν μπορεί να προσφέρει μια μπλεγμένη κατάσταση κάθε φορά. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό του συστήματος είναι ότι μπορεί να δημιουργήσει μέχρι και 5000 πεπλεγμένα φωτόνια ανά δευτερόλεπτο - χίλιες φορές περισσότερο από ό, τι τα προηγούμενα συστήματα που χρησιμοποιούν καταστάσεις Rydberg.

Ενεργοποίηση κβαντικών δικτύων

Μαζί, αυτά τα χαρακτηριστικά δείχνουν ότι πολλές τέτοιες πηγές θα μπορούσαν να συνδεθούν με τη δημιουργία ενός δικτύου multinode για την επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών. «Τέτοια άτομο-φωτόνια διεμπλοκής μπορεί να είναι χρήσιμα για τις μελλοντικές εργασίες για την υλοποίηση κατανεμημένων συστημάτων της κβαντικής μηχανικής, που μπορεί να εφαρμοστούν στην κβαντική επικοινωνία και στους υπολογιστές ή σε παρόμοιες χρήσεις," λέει ο Kuzmich.

Ο Charles Adams του Πανεπιστημίου του Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο χαρακτηρίζει την εργασία ως «πρωτοποριακή» και «ένα σημαντικό βήμα προόδου προς την υλοποίηση ενός κβαντικού δικτύου".

Ο Kuzmich και οι συνεργάτες του εργάζονται τώρα για τρόπους βελτίωσης της μεθόδου, που χρησιμοποιείται για να κρατήσει τα άτομα, που θα πρέπει να αυξηθεί ο χρόνος της διεμπλοκής.

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δ. Γιάκας