חוקרי ווטרלו ממזגים פיזיקה וכימיה זוכי פרס נובל כדי לשפר את היעילות והאבטחה של התקשורת הקוונטית. קרדיט: twoday.co.il.com
אוניברסיטת ווטרלו חוקרים משלבים מושגים זוכי פרס נובל כדי להשיג פריצת דרך מדעית.
חוקרים במכון למחשוב קוונטי (IQC) של אוניברסיטת ווטרלו ריכזו שני מושגי מחקר זוכי פרס נובל כדי לקדם את תחום התקשורת הקוונטית.
מדענים יכולים כעת לייצר ביעילות הסתבכות כמעט מושלמת פוטון זוגות ממקורות נקודות קוונטיות.
פוטונים סבוכים הם חלקיקי אור שנשארים מחוברים, אפילו על פני מרחקים גדולים, ופרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 הכיר בניסויים בנושא זה. בשילוב של הסתבכות עם נקודות קוונטיות, טכנולוגיה שהוכרה עם פרס נובל בכימיה לשנת 2023, צוות המחקר של IQC שם לו למטרה לייעל את התהליך ליצירת פוטונים סבוכים, שיש להם מגוון רחב של יישומים, כולל תקשורת מאובטחת.
שיפור היעילות וההסתבכות הקוונטית
"השילוב של רמה גבוהה של הסתבכות ויעילות גבוהה נחוץ ליישומים מרגשים כגון הפצת מפתחות קוונטיים או משחזרים קוונטיים, אשר נועדו להרחיב את המרחק של תקשורת קוונטית מאובטחת לקנה מידה עולמי או לקשר מחשבים קוונטיים מרוחקים", אמר ד"ר ד"ר. מייקל ריימר, פרופסור במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים של IQC ו-Waterloo. "ניסויים קודמים מדדו רק הסתבכות כמעט מושלמת או יעילות גבוהה, אבל אנחנו הראשונים להשיג את שתי הדרישות עם נקודה קוונטית."
מקור הפוטונים המסובכים, נקודה קוונטית מבוססת אינדיום המוטבעת בננו-תיל מוליכים למחצה (משמאל), והדמיה של האופן שבו הפוטונים המסובכים מופקים ביעילות מהננו-תיל. קרדיט: אוניברסיטת ווטרלו
על ידי הטמעת נקודות קוונטיות מוליכים למחצה לתוך ננו-תיל, החוקרים יצרו מקור שיוצר פוטונים סבוכים כמעט מושלמים פי 65 ביעילות רבה יותר מעבודות קודמות. מקור חדש זה, שפותח בשיתוף עם מועצת המחקר הלאומית של קנדה באוטווה, יכול להתרגש באמצעות לייזרים כדי ליצור זוגות סבוכים בפקודה. החוקרים השתמשו אז בגלאי פוטון בודד ברזולוציה גבוהה שסופקו על ידי Single Quantum בהולנד כדי להגביר את מידת ההסתבכות.
התגברות על אתגרים היסטוריים ויישומים עתידיים
"באופן היסטורי, מערכות נקודות קוונטיות היו נגועים בבעיה שנקראת פיצול מבנה עדין, הגורמת למצב סבוך להתנודד לאורך זמן. המשמעות היא שמדידות שנלקחו עם מערכת זיהוי איטית ימנעו את מדידת ההסתבכות", אמר מתאו פנאצ'טי, סטודנט לתואר שלישי ב-IQC ובמחלקה להנדסת חשמל ומחשבים של ווטרלו. "התגברנו על כך על ידי שילוב הנקודות הקוונטיות שלנו עם מערכת זיהוי מהירה ומדויקת מאוד. אנחנו יכולים בעצם לקחת חותמת זמן של איך נראה המצב המסובך בכל נקודה במהלך התנודות, ושם יש לנו את ההסתבכות המושלמת”.
כדי להציג יישומי תקשורת עתידיים, ריימר ופנאצ'יאטי עבדו עם ד"ר נורברט לוטקנהאוס וד"ר תומס ג'נוויין, שניהם חברי סגל IQC ופרופסורים במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה של ווטרלו, והצוותים שלהם. באמצעות מקור ההסתבכות הקוונטית החדש שלהם, החוקרים דימו שיטת תקשורת מאובטחת המכונה הפצת מפתח קוונטי, והוכיחה שלמקור הנקודה הקוונטית יש הבטחה משמעותית בעתיד של תקשורת קוונטית מאובטחת.
מחקר זה, "מצב פעמון פוטוני מתנודד מנקודה קוונטית מוליכים למחצה להפצת מפתח קוונטי", פורסם לאחרונה ב פיזיקת תקשורת מאת Pennacchietti, Reimer, Jennewein, Lütkenhaus, Brady Cunard, Shlok Nahar ו- Sayan Gangopadhyay מ-IQC, לצד משתפי הפעולה שלהם ד"ר מוהד זישאן, ד"ר פיליפ פול, ד"ר דן דלקו, ד"ר אנדראס פוגניני, ד"ר קלאוס ג'ונס, ו ד"ר ואל צוולר.
