Світло може передавати квантову інформацію до 50 разів швидше завдяки часовій лінзі, яка використовується фізиками з Варшавського університету в конвертері, який змінює властивості фотонів. Ця технологія може сприяти побудові в найближчому майбутньому надшвидкісних з’єднань квантового Інтернету, повідомляють в університеті.
Як пояснює на веб-сайті Варшавського університету доктор Міхал Карпінський, керівник лабораторії квантової фотоніки факультету фізики Варшавського університету, світло забезпечує швидку передачу даних через волоконно-оптичні телекомунікаційні мережі. Цю інформаційну здатність можна поширити на передачу квантової інформації, закодувавши її в окремих частинках світла – фотонах.
«Для того, щоб фотони могли ефективно завантажуватися в пристрої, що обробляють квантову інформацію, вони повинні мати специфічні властивості: правильну центральну довжину хвилі, тобто частоту, правильну тривалість і спектр, тобто частотний спектр», – перераховує співавтор статті опубліковано в “Nature Photonics”.
ТОВЩИНА СКЛА ЛІНЗИ ЗМІНЮЄТЬСЯ З ЧАСОМ
Прототипи квантових комп’ютерів, розроблені дослідниками з усього світу, створюються з використанням різних методів – захоплених іонів, квантових точок, надпровідних електричних схем або надхолодних атомних хмар. Ці платформи обробки квантової інформації працюють у діапазоні часу від пікосекунд до наносекунд і мікросекунд. Щоб з’єднати такі пристрої в квантову мережу, необхідна апаратура для зміни характеристик пропусканих квантових світлових імпульсів – поодиноких фотонів.
Вчені представили в “Nature Photonics” перетворювач, який дозволяє змінювати тривалість імпульсу до 200 разів, з ефективністю 25 відсотків. Доктор Карпінський запевняє, що отримане квантове інтернет-з’єднання може працювати в 50 разів швидше. Ключовим елементом методики, розробленої у Варшавському університеті, є т.зв скроневий кришталик.
«Класична просторова лінза змінює розмір світлового променя, фокусує або розсіює його. Фокусування світлового променя досягається за допомогою опуклої лінзи, де товщина скла зменшується з відстанню від його центру. лінза може скорочувати або подовжувати світлові імпульси, але тут ефективна оптична товщина скла змінюється в часі, а не в просторі», – пояснює д-р Філіп Сосніцький з Лабораторії квантової фотоніки, який відповідав за розробку експерименту.
«Щоб сфокусувати широкий промінь світла, лінза має бути достатньо великою, що, у свою чергу, робить її дуже опуклою, що значно збільшує кількість і, отже, вагу скла, необхідного для його створення. Замість цього ми можемо використовувати Лінза Френеля, відома з 19-го століття, специфічна форма якої зменшує товщину такої лінзи лише до кількох міліметрів або менше. У рамках нашого дослідження ми створили тимчасовий еквівалент такої лінзи Френеля”, – пояснює доктор Сосніцький . Лінзи Френеля використовуються напр. у фарах, маяках, залізничних сигналах і мобільних телефонах.
СИЛЬНИЙ ЕФЕКТ БЕЗ ПОШКОДЖЕННЯ ЛІНЗИ
Дослідники використовували електрооптичний ефект. Він дозволяє змінювати показник заломлення кристала (в даному випадку ніобату літію) залежно від прикладеного до нього зовнішнього електричного поля. Використовуючи високошвидкісні електричні сигнали, можна досягти змінної в часі оптичної товщини кристала, необхідної для створення скроневої лінзи. Однак занадто сильне електричне поле може зруйнувати кристал.
«У техніці, яку ми розробили, ми поступово збільшуємо показник заломлення, подібно до просторової лінзи Френеля. Таким чином ми отримуємо сильний ефект, не руйнуючи кристал. Це дозволяє набагато більше модифікувати квантові світлові імпульси», – пояснив доктор Карпінський. Такі «ступінчасті» дії вимагають використання надшвидкої мікрохвильової електроніки. Доктор Філіп Сосніцький порівнює, що мережі 5G або швидкий Wi-Fi працюють на частотах від 3 до 5 ГГц, тоді як сигнали вчених з Варшавського університету є більш ніж у сім разів швидшими, з частотами до 35 ГГц.
Фізики мають намір перевірити перетворення фотонів між різними типами платформ і збільшити відстань передачі фотонів. «Поки що ми надсилали їх між пристроями в одній лабораторії, тепер ми спробуємо передавати їх між різними будівлями і навіть містами», – каже доктор Міхал Карпінський.
Як наголошується на сайті Варшавського університету, робота, яку проводить група фізиків, є важливим кроком на шляху до побудови квантових мереж. Невеликі мережі можуть сформувати єдиний квантовий комп’ютер. Extensive створить квантовий Інтернет і забезпечить набагато безпечнішу, ніж зараз, передачу даних між квантовими комп’ютерами в різних частинах світу.
В університеті нагадали, що ще у 2016 році науковці фізичного факультету Варшавського університету в рамках міжнародної співпраці представили прототип перетворювача в «Nature Photonics». Пристрій дозволяв шість разів змінювати тривалість оптичного імпульсу з ефективністю понад 30 відсотків. Техніка, яка використовувалася в той час, проста електрооптична модуляція, мала свої обмеження і дозволяла скоротити тривалість імпульсу в десять разів.
Наука в Польщі – Кароліна Дущик
col/bar/
