خلاصه خبر:
محققان با ترکیب نقاط کوانتومی نیمه هادی با نانوسیم ها، منبعی ایجاد کردند که فوتون های درهم تنیده بسیار کارآمدی تولید می کند. این روش 65 برابر کارآمدتر از روش های قبلی است. با استفاده از لیزر برای برانگیختن نقاط کوانتومی، جفت های درهم تنیده فوتون در صورت تقاضا تولید شدند. محققان با استفاده از یک سیستم آشکارساز سریع و دقیق، بر چالش‌های مربوط به شکاف ساختاری ظریف در سیستم‌های نقطه کوانتومی غلبه کردند و از درهم تنیدگی کامل اطمینان حاصل کردند. آنها پتانسیل منبع نقطه کوانتومی خود را برای ارتباطات کوانتومی ایمن نشان دادند و به اوج فیدلیتی درهم تنیدگی 0.8 ± 97.5 درصد و بازده استخراج جفت 0.65 درصد دست یافتند. این پیشرفت راه را برای برنامه های کاربردی در مخابرات کوانتومی ایمن در فواصل طولانی و اتصال کامپیوترهای کوانتومی راه دور هموار میکند.
توضیحات تکمیلی:
محققان موسسه محاسبات کوانتومی دانشگاه واترلو (IQC) با ترکیب دو مفهوم برنده جایزه نوبل، پیشرفت قابل توجهی در ارتباطات کوانتومی داشته اند. پژوهش آنها بر تولید موثر جفت فوتون های درهم تنیده تقریبا کامل از منابع نقطه کوانتومی (کوانتوم دات) تمرکز دارد.
فوتون های درهم تنیده که با جایزه نوبل فیزیک 2022 به رسمیت شناخته شده اند، حتی در فواصل طولانی به هم متصل می مانند و برای کاربردهای مختلف، از جمله ارتباطات ایمن، ارزشمند هستند. هدف تیم تحقیقاتی IQC از ترکیب درهم تنیدگی با نقاط کوانتومی که جایزه نوبل شیمی سال 2023 را دریافت کرد، بهینه سازی تشکیل فوتون های درهم تنیده بود.
محققان نقاط کوانتومی نیمه هادی را در یک نانوسیم جاسازی کردند و در نتیجه منبعی تولید کردند که فوتون های درهم تنیده تقریباً کاملی را 65 برابر کارآمدتر از روش های قبلی تولید می کند. برای رسیدن به این هدف، آنها از لیزر برای برانگیختن نقاط کوانتومی استفاده کردند و جفت های درهم تنیده را در صورت تقاضا تولید کردند. آشکارسازهای تک فوتونی با وضوح بالا برای افزایش درجه درهم تنیدگی استفاده شدند.
این تیم بر چالش‌های تاریخی مربوط به شکافتن ساختار ظریف در سیستم‌های نقطه کوانتومی، که باعث نوسان حالت‌های درهم‌تنیده در طول زمان می‌شد، غلبه کردند. با ترکیب نقاط کوانتومی با یک سیستم آشکارساز سریع و دقیق، محققان توانستند زمان های حالت درهم تنیده را در هر نقطه در طول نوسانات ثبت کنند و از درهم تنیدگی کامل اطمینان حاصل کنند.
محققان یک روش ارتباطی امن به نام توزیع کلید کوانتومی (QKD) را با استفاده از منبع درهم تنیدگی نقاط کوانتومی جدید خود شبیه سازی کردند. این نمایش پتانسیل منبع نقطه کوانتومی برای ارتباطات کوانتومی ایمن را به نمایش گذاشت. fidelity اوج درهم تنیدگی اندازه گیری شده 0.8 ± 97.5٪ بود، در حالی که راندمان استخراج جفت به 0.65٪ رسید. این نتایج نوید قابل توجهی را برای آینده ارتباطات کوانتومی ایمن، به ویژه در کاربردهایی مانند QKD و تکرارکننده‌های کوانتومی نشان می‌دهد.
ترکیب موفقیت آمیز فیدلیتیِ درهم تنیدگی بالا و کارایی در تولید جفت فوتون های درهم تنیده، راه هایی را برای کاربردهای هیجان انگیز در مخابرات کوانتومی، گسترش ارتباطات کوانتومی ایمن در فواصل جهانی، و اتصال کامپیوترهای کوانتومی راه دور باز می کند. تحقیقات انجام شده توسط تیم IQC به پیشرفت مداوم فناوری‌های ارتباطی کوانتومی کمک میکند و ما را به اجرای عملی سیستم‌های ارتباطی کوانتومی ایمن نزدیک‌تر میکند.
منبع
Matteo Pennacchietti et al, Oscillating photonic Bell state from a semiconductor quantum dot for quantum key distribution, Communications Physics (2024). DOI: 10.1038/s42005-024-01547-3
