Tim istraživača u MPK je pionir u integraciji atoma erbijuma sa posebnim optičkim svojstvima u kristal silicijum. Atomi se tako mogu povezati pomoću svetlosti na talasnoj dužini koja se obično koristi u telekomunikacijama. To ih čini idealnim gradivnim blokovima za buduće kvantne mreže koje omogućavaju proračune sa nekoliko kvantnih računara, kao i sigurnu razmenu podataka u kvantnom internetu. Pošto su novi eksperimentalni rezultati postignuti bez sofisticiranog hlađenja i zasnovani su na utvrđenim metodama proizvodnje poluprovodnika, metoda se čini pogodnom za velike mreže.
Kada se kvantni računari povežu na mrežu, pojavljuju se potpuno nove mogućnosti — analogno internetu koji se sastoji od međusobno povezanih klasičnih računara. Takva kvantna mreža može se ostvariti preplitanjem pojedinačnih nosilaca kvantnih informacija, takozvanih kubita, jedan sa drugim pomoću svetlosti.
Kubiti se, zauzvrat, mogu izgraditi od pojedinačnih atoma koji su izolovani jedan od drugog i ugrađeni u kristal domaćina. Tim istraživača sa Instituta za kvantnu optiku Maks Plank (MPK) u Garkingu i Tehničkog univerziteta u Minhenu je sada pokazao izvodljiv način za izgradnju kvantne mreže koristeći atome u silicijumskom kristalu. To znači da se ista tehnologija koja se koristi u klasičnim računarima može koristiti i za kvantne računare i njihove mreže.
Mali gubici i jaka koherentnost
Nova tehnologija se oslanja na atome erbijuma koji se implantiraju u kristalnu rešetku silicijuma pod vrlo specifičnim uslovima. „Znali smo iz ranijih eksperimenata da erbijum ima dobra optička svojstva za takvu primenu“, kaže dr Andreas Reiserer, šef istraživačke grupe Otto Hahn Kuantum Netvorks u MPK: Atomi ovog elementa retke zemlje emituju infracrvenu svetlost na talasnoj dužini od oko 1550 nanometara — spektralni opseg koji se koristi za prenos podataka u kablovima sa optičkim vlaknima. Pokazuje samo male gubitke tokom širenja u vlaknima koja provode svetlost.
„Pored toga, svetlost koju emituje erbijum ima odličnu koherentnost“, napominje Reiserer. To znači da su pojedinačni nizovi talasa u međusobnoj stabilnoj fazi – preduslov za skladištenje i prenos kvantnih informacija. „Ove karakteristike čine erbijum glavnim kandidatom za realizaciju kvantnog računara – ili za korišćenje kao nosilac informacija u kvantnoj mreži“, kaže Reiserer.
Međutim, ono što može zvučati jednostavno, predstavljalo je težak tehnološki izazov za MPK istraživače. Između ostalog, tim je morao da ugradi pojedinačne atome elementa retke zemlje u kristalnu matricu na ciljani i ponovljivi način – i da ih fiksira na određenim pozicijama u odnosu na atome silicijuma. „Za ovo smo izabrali silicijum jer se već koristi za klasične poluprovodnike koji čine osnovu našeg informacionog društva“, objašnjava fizičar. „Dostupni su uspostavljeni procesi za pripremu silicijumskih kristala visokog kvaliteta i čistoće.
Različite potencijalne primene
Opseg mogućih budućih aplikacija za kvantne mreže je širok. Od njih bi se mogli graditi kvantni računari u kojima je veliki broj odvojenih procesora međusobno povezan. Sa ovakvim računarskim mašinama, koje koriste određene kvantnomehaničke efekte, mogu se savladati složeni zadaci koji se ne mogu rešiti konvencionalnim, klasičnim sistemima. Alternativno, kvantne mreže bi se mogle koristiti za istraživanje svojstava novih vrsta materijala.
„Ili bi se mogli koristiti za izgradnju neke vrste kvantnog interneta u kojem bi se mogle preneti ranije nedostižne količine informacija — slično normalnom internetu, ali bezbedno šifrovane pomoću kvantne kriptografije“, kaže Rajzerer.
Preduslov za sve ove potencijalne aplikacije je kvantno-mehanički uplitanje kubita u mrežu. „Da pokažemo da je to moguće i na osnovu atoma erbijuma u silicijumskim čipovima je naš sledeći zadatak“, kaže Andreas Reiserer.
Zajedno sa svojim timom, fizičar već radi na savladavanju ovog izazova. Njegov cilj: Pokazati da se kola za moćne kvantne mreže mogu proizvesti slično kao mikročipovi za mobilne telefone ili notebook računare—ali da se otvori široko polje za nova naučna otkrića i tehničke mogućnosti koje su danas nezamislive.
