Fortschritte in Richtung Quantum Computing: Photon-Wrangling mit Nano-Antennen

Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe - with David Tong (Februar 2019).

Anonim

Fortschritte in Richtung Quantum Computing: Photon-Wrangling mit Nano-Antennen


Gute Nachrichten für alle, die sich auf Quantencomputer freuen. Ein Team von Physikern der Hebräischen Universität von Jerusalem in Israel hat eine einzige Photonenquelle entwickelt, die nicht nur kompakt ist, sondern auch bei Umgebungstemperaturen arbeitet.

Das Team, das an dieser Ein-Photonen-Quelle arbeitet, wird von Dr. Ronen Rapaport vom Racah Institute of Physics der Universität geleitet und besteht ausschließlich aus angewandten Physikern: Nitzan Livneh, Moshe G. Harats, Daniel Istrati und Hagai S. Eisenberg.

Photonen im Supercomputing

Photonen wurden als das vielversprechendste Teilchen für die Übertragung und Verarbeitung von Daten auf der Quantenebene identifiziert. Die Hoffnung ist, dass Photonen genutzt werden können, um Quantenbits von Informationen, Qubits, mit Geschwindigkeiten viel schneller zu übertragen, als es aktuelle Rechenmethoden erreichen können.

Dies nennt sich Linear Optical Quantum Computing (LOQC) - und es wird immer näher daran, die Art und Weise der Datenverarbeitung zu revolutionieren.

Eine visuelle Darstellung eines Photons. Bild mit freundlicher Genehmigung von M. Bellini / National Inst. der Optik.

Das Arbeiten mit Photonen kann jedoch schwierig sein. Aber die israelischen Forscher glauben, dass sie eine nachhaltige Methode gefunden haben, eine einzelne Photonenquelle auf einem Chip zu platzieren und die emittierten Photonen bei Umgebungstemperaturen in einen überschaubaren Divergenzwinkel zu lenken.

Regie von Photonen

Zum einen sind Photonen schwer zu lenken. Einige Quellen emittieren Photonen in mehrere Richtungen, wodurch sie schwer zu fangen sind. In der Vergangenheit konnten die Forscher diese Photonen mithilfe optischer Sammelsysteme erfassen. Diese Systeme waren jedoch zu groß, um auf einen einzelnen Chip zu passen.

Das Team der Hebräischen Universität von Jerusalem scheint mit dieser relativ einfachen Methode einen Weg gefunden zu haben, um diese besondere Schwierigkeit zu umgehen: Sie haben sich dafür entschieden, die Photonen mithilfe von Antennen zu lenken.

Wohlgemerkt, diese speziellen Antennen sind im Nanobereich.

Die Nanoantenne (links) emittiert Photonen in einer vorhersagbaren Richtung. Bild mit freundlicher Genehmigung von ACS Publications.

Die Antennen haben gezeigt, dass sie Photonen mit einem außergewöhnlich geringen Divergenzwinkel ausrichten können. Grundsätzlich ermöglichen es die Antennen, die Photonen auf einen vorhersehbaren Weg zu bringen, der vorhersehbarer ist als je zuvor.

Ein Nanokristall- und Antennen-Hybrid

Die Forscher haben die Verwendung von Nano-Antennen mit Nanokristallen gepaart.

Die Nanokristalle sind als kolloidale Nanokristalle bekannt und können bei Raumtemperatur effizient Photonen emittieren. Einige Bedenken bezüglich der Verwendung von kolloidalen Nanokristallen sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass sie oft die Anwesenheit von hochtoxischen Schwermetallen wie Blei und Cadmium beinhalten.

Die Nanokristalle emittieren die Photonen und die Antennen fokussieren ihren Weg, so dass sie gesammelt werden können.

Die gute Nachricht ist, dass diese Antennen aus metallischen und dielektrischen Schichten bestehen, die mit umfangreichen industriellen Techniken hergestellt werden können.

Photonen bei Umgebungstemperaturen ernten

Eine weitere Schwierigkeit beim Sammeln von Photonen besteht darin, dass supraleitende Materialien unterkühlt werden müssen, um korrekt zu arbeiten.

Einer der großen Herausforderungen der Quantencomputerforschung besteht darin, dass das Kühlen von Supraleitern auf ausreichend niedrige Temperaturen spezialisierte Werkzeuge und Ressourcen erfordert. Die Verwendung von flüssigem Helium ist üblich, ist aber teuer.

Diese besondere Hürde ist der Lösung um ein weiteres Stück näher, da die Forscher daran arbeiten, diese einzelnen Photonenpartikel bei Umgebungstemperaturen geordnet zu leiten. Der Nanokristall-Antennen-Ansatz sieht sich nicht denselben Problemen gegenüber und erfordert daher nicht die Verwendung von flüssigem Helium als Kühlmittel.