Jasne światło prowadzone przez światłowód wyprodukowany na Uniwersytecie w Bath. Źródło: Cameron McGarry, Uniwersytet w Bath
Fizycy z Uniwersytetu w Bath w Wielkiej Brytanii opracowali nową generację specjalistycznych włókien optycznych, których zadaniem jest sprostanie przyszłym wyzwaniom związanym z przesyłaniem danych przewidywanym wraz z rozwojem obliczeń kwantowych.
Fizycy z Uniwersytetu w Bath w Wielkiej Brytanii opracowali nową generację specjalistycznych włókien optycznych zaprojektowanych, aby sprostać przewidywanym wyzwaniom związanym z przesyłaniem danych w nadchodzących latach obliczenia kwantowe era.
Technologie kwantowe obiecują zapewnić niezrównaną moc obliczeniową, pozwalającą nam rozwiązywać złożone problemy logiczne, opracowywać nowe leki i zapewniać niezniszczalne techniki kryptograficzne dla bezpiecznej komunikacji. Jednak sieci kablowe wykorzystywane obecnie do przesyłania informacji na całym świecie prawdopodobnie nie będą optymalne dla komunikacji kwantowej ze względu na solidne rdzenie ich włókien optycznych.
W przeciwieństwie do zwykłych włókien optycznych, światłowody specjalistyczne produkowane w Bath mają rdzeń mikrostrukturalny, składający się ze złożonego wzoru kieszeni powietrznych biegnących wzdłuż całej długości włókna.
„Konwencjonalne światłowody, które są podstawą naszych dzisiejszych sieci telekomunikacyjnych, przesyłają światło o długościach fal, które w całości zależą od strat szkła krzemionkowego. Jednakże te długości fal nie są kompatybilne z operacyjnymi długościami fal pojedynczegofoton źródła, kubity i aktywne komponenty optyczne, które są wymagane w technologiach kwantowych opartych na świetle” – powiedziała dr Kristina Rusimova z Wydziału Fizyki w Bath.
W artykule naukowym opublikowanym w czasopiśmie dr Rusimova i jej współpracownicy opisują najnowocześniejsze włókna produkowane w Bath oraz inne niedawne i przyszłe osiągnięcia w powstającej dziedzinie obliczeń kwantowych. Litery fizyki stosowanej Kwant.
Dr Rusimova, główna autorka artykułu zwanego perspektywą, dodała: „Projektowanie i produkcja włókien optycznych zajmuje czołowe miejsce w badaniach Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Bath, a światłowody, z których korzystamy, są w centrum uwagi z myślą o komputerach kwantowych kładą podwaliny pod przyszłe potrzeby w zakresie transmisji danych”.
Splątanie kwantowe
Światło jest obiecującym medium do obliczeń kwantowych. Poszczególne cząstki światła, zwane fotonami, posiadają pewne wyjątkowe właściwości kwantowe, które można wykorzystać za pomocą technologii kwantowych.
Jednym z takich przykładów jest splątanie kwantowe, w którym dwa fotony oddzielone od siebie dużą odległością nie tylko przechowują informacje o sobie, ale mogą również natychmiast wpływać na swoje właściwości. W przeciwieństwie do bitów binarnych w klasycznych komputerach (jedynka lub zero), pary splątanych fotonów mogą w rzeczywistości istnieć jednocześnie jako jedynka i zero, uwalniając ogromne ilości mocy obliczeniowej.
Doktor Cameron McGarry, do niedawna fizyk w Bath i pierwszy autor artykułu, powiedział: „Internet kwantowy jest niezbędnym składnikiem umożliwiającym realizację ogromnych obietnic, jakie niesie ze sobą powstająca technologia kwantowa.
„Podobnie jak istniejący Internet, Internet kwantowy będzie opierał się na światłowodach do dostarczania informacji z węzła do węzła. Te światłowody będą prawdopodobnie bardzo różnić się od tych, które są obecnie używane i będą wymagały innej technologii wspierającej, aby były przydatne”.
Ze swojej perspektywy badacze omawiają powiązane wyzwania związane z internetem kwantowym z punktu widzenia technologii światłowodowej i przedstawiają szereg potencjalnych rozwiązań w zakresie skalowalności solidnej, wielkoskalowej sieci kwantowej.
Dotyczy to zarówno światłowodów, które będą wykorzystywane do komunikacji na duże odległości, jak i światłowodów specjalistycznych, które pozwolą na zintegrowanie bezpośrednio z siecią wzmacniaczy kwantowych w celu zwiększenia odległości, na której może działać ta technologia.
Poza węzłami łączącymi
Opisują także, w jaki sposób specjalistyczne światłowody mogą wykraczać poza łączenie węzłów sieci i wdrażać obliczenia kwantowe w samych węzłach, działając jako źródła splątanych pojedynczych fotonów, kwantowe konwertery długości fal, przełączniki niskostratne lub pojemniki na pamięci kwantowe.
Dr McGarry powiedział: „W odróżnieniu od światłowodów standardowo stosowanych w telekomunikacji, światłowody specjalistyczne rutynowo produkowane w Bath mają rdzeń mikrostrukturalny, składający się ze złożonego układu kieszeni powietrznych biegnących wzdłuż całej długości światłowodu.
„Wzór tych kieszeni powietrznych pozwala naukowcom manipulować właściwościami światła wewnątrz światłowodu i tworzyć splątane pary fotonów, zmieniać kolor fotonów, a nawet zatrzymywać pojedyncze atomy we włóknach”.
„Naukowcy na całym świecie dokonują szybkich i ekscytujących postępów w zakresie możliwości mikrostrukturalnych włókien optycznych w sposób interesujący dla przemysłu” – powiedziała dr Kerrianne Harrington, która jest pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Wydziale Fizyki.
„Nasza perspektywa opisuje ekscytujący postęp tych nowatorskich włókien i to, w jaki sposób mogą one być korzystne dla przyszłych technologii kwantowych”.
Dr Alex Davis, specjalista EPSRC Quantum Career Acceleration Fellow w Bath, dodał: „To zdolność włókien do ścisłego ograniczania światła i transportu go na duże odległości czyni je użytecznymi.
„Oprócz generowania splątanych fotonów pozwala nam to generować bardziej egzotyczne kwantowe stany światła do zastosowań w obliczeniach kwantowych, precyzyjnym wykrywaniu i niemożliwym do pokonania szyfrowaniu wiadomości”.
Przewaga kwantowa – zdolność urządzenia kwantowego do wykonywania zadań wydajniej niż konwencjonalny komputer – nie została jeszcze ostatecznie wykazano. Wyzwania technologiczne zidentyfikowane w tej perspektywie prawdopodobnie otworzą nowe ścieżki badań kwantowych i przybliżą nas do osiągnięcia tego ważnego kamienia milowego. Oczekuje się, że światłowody wyprodukowane w Bath pomogą w stworzeniu podwalin pod komputery kwantowe jutra.
Odniesienie: „Mikrostrukturalne włókna optyczne do zastosowań kwantowych: perspektywa” Cameron McGarry, Kerrianne Harrington, Alex OC Davis, Peter J. Mosley i Kristina R. Rusimova, 29 lipca 2024 r., Kwant APL.
DOI: 10.1063/5.0211055
