Raziskovalni projekt (so)financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Članica UL: Fakulteta za matematiko in fiziko
Šifra projekta: J2-2514
Naziv projekta: Razvoj komponent za vzpostavitev nove evropske mreže za kvantno komunikacijo
Obdobje: 1. 9. 2020 - 31. 8. 2023
Letni obseg: 1,26 FTE cenovna kategorija: D
Vodja: Anton Ramšak
Veda: Naravoslovje
Sodelujoče RO, sestava projektne skupine in bibliografske reference
Vsebinski opis projekta:
Kvantna tehnologija obljublja aplikacije, ki presegajo zmogljivosti uveljavljenih tehnologij. Dobro znani primeri so kvantni računalniki in kvantno okrepljeno zaznavanje. Za izkoriščanje celotnega potenciala kvantne tehnologije bo potrebna vzpostavitev kvantnih mrež, ki bodo distribuirale kvantne vire med oddaljenimi komunikacijskimi partnerji. V tekmi, ki je postala kvantna tehnologija, so bila vložena velika globalna prizadevanja za izdelavo osrednjih gradnikov in infrastrukture za to novo tehnologijo. Kitajska je začela prvi kvantni satelit in vzpostavili so veliko mrežo osnovnih kvantnih vozlišč. Lani so ZDA sprejele Nacionalni zakon o kvantni pobudi, ki je prizadevanja usmeril v kvantne mreže, kvantno komunikacijo in kvantno računanje. "Quantum Flagship" v Evropi je bil pomemben korak k pridružitvi temu razvoju, vendar je spodbudil raziskovalna prizadevanja le v nekaterih delih Zahodne Evrope. Cilj predlaganega projekta je izdelati osrednje gradnike za izgradnjo kvantne mreže v jugovzhodni Evropi. Ta prizadevanja bodo okrepila kvantno strokovno znanje v Sloveniji in na Hrvaškem ter uveljavila naši državi kot konkurenčna partnerja na področju kvantne tehnologije. Konkretno bomo izdelali več ključnih sestavin kvantnega interneta: ozko pasovne vire, ki so združljivi s telekomunikacijskimi valovnimi dolžinami in z atomskimi kvantnimi spomini. To bo omogočilo dokaz izvedljivosti ključnega manjkajočega elementa globalnih kvantnih mrež: kvantnega repetitorja. Raziskovalne in razvojne dejavnosti bodo okrepile raziskovalne zmogljivosti in pospešile sodelovanje med skupinami v Sloveniji in na Hrvaškem ter vzpostavile potrebno kritično maso za povezovanje lokalne kvantne mreže s tistimi, ki delujejo na evropski ravni.
Rezultati in dosežki projekta:
(A) Razvoj kvantnega spomina (v Ljubljani na IJS s cezijevimi atomi, v Zagrebu na IFZg z rubidijevimi atomi). Izgradnja in karakterizacija kvantnega spomina na osnovi EIT s pomočjo cezijevih atomov.
V prvem letu trajanja projekta smo postavili eksperimentalni sistem za kvantni spomin na osnovi EIT z vročimi cezijevimi atomi. Za ta namen smo uporabili kvarčno celico v obliki valja s premerom 25 mm in dolžino 75 mm, ki je bila obložena s parafinsko prevleko in postavljena v sredino magnetnega ščita. Za klasične svetlobne pulze pri valovni dolžini 852 nm smo uspeli doseči čas shranjevanja nekaj mikrosekund.
V drugem letu trajanja projekta smo obstoječi eksperimentalni sistem za lovljenje in hlajenje atomov nadgradili, da smo lahko hladne atome iz magneto optične pasti pri temperaturi okoli 20 mikrokelvinov uporabili kot medij za kvantni spomin. Ugotovili smo, da prisotnost že zelo majhnega homogenega magnetnega polja povzroči kolaps spinskega vala in s tem efektivno zmanjša življenjski čas shrambe. Ko so atomi nepolarizirani, se pri shranjevanju svetlobe ustvari veliko število različnih spinskih valov, ki interferirajo popolnoma destruktivno.
O rezultatih, ki so nastali v okviru te aktivnosti smo poročali v obliki vabljenega predavanja [1] in posterja [2].
O pomenu kvantnih komunikacij in rezultatih, ki so nastali v okviru celotnega projekta, smo poročali tudi v obliki strokovnega članka [3], serije radijski oddaj [4,5,6], vabljenih predavanj [7,8,9] in pogovorov [10].
(B) Aktivnost v zvezi z razvojem optičnih komunikacij in prenosa prepletenosti.
Cilj 1: Postaviti dva ozkopasovna vira prepletenih fotonov pri telekomunikacijskih valovni dolžini 1550 nm.
Uspešno smo postavili ozkopasovno optično podvajanje frekvence (ang. ‘second harmonic generation’, SHG), ki pretvarja svetlobo pri 1310 nm v 655 nm. Ustvarjena svetloba in pasovno širino 5 MHz in moč 0.5 mW. Pasovna širina resonatorja je tako v skladu s pričakovanimi rezultati. Postavitev SHG je bila predstavljena v magistrski nalogi [14].
Cilj 4: Pokazati izmenjavo prepletenosti s fotonih iz dveh različnih kvantnih spominov in s tem preplesti telekomunikacijska fotona iz dveh neodvisnih izvorov.
Leta 2021 smo vzpostavili stik med našimi hrvaškimi partnerji v tem projektu in italijanskimi kolegi za delo na skupnem predlogu za projekt. V tem kontekstu smo se skupaj s partnerji odločili, da izvedemo demonstracijski eksperiment kvantne distribucije ključev (QKD) med našimi tremi državami. Avgusta 2021 smo uspešno demonstrirali prvo omrežje QKD med tremi državami [13].
Znanje, pridobljeno v tej demonstraciji, bo ključno za kvantne komunikacijske povezave na dolgih razdaljah znotraj Slovenije, koristilo pa bo tudi našim prizadevanjem za uresničitev izmenjave prepletenosti v Sloveniji in v prihodnosti z mednarodnimi partnerji
(C) Raziskava primernosti organskih radikalov, azafulerenov C59N, kot kandidatov za molekularne qubite.
Za raziskave azafulerenskih filmov kot spinsko aktivnih molekulskih sestavov smo pripravili dva predloga eksperimentov s sinhrotronsko svetlobo na pospeševalniku Elettra za kar smo prejeli visoke ocene mednarodnih (peer) ocenjevalcev ter pridobili dva sklopa merilnih terminov na žarkovni liniji ALOISA – prvi termin v trajanju 5 dni v septembru ter dodatne 4 dni v decembru 2022 in drugi termin v dolžini 5 dni predvidoma v maju 2023. [11,12] Azafulerene smo naparili v ultravisokem vakuumu s sublimacijo prekurzorjev (stabilni dimeri (C59N)2 brez radikalnega karakterja) na substrat Au(111) v ultra-tanke nanose (od pokritosti manj kot ene plasti do največ dveh molekularnih plasti). Sicer stabilni diamagnetni dimeri se pri segrevanju na dovolj visoke temperature (nad 150-200°C) razcepijo v radikalne monomere s prekinitvijo šibke C-C vezi, tako da se pri naparevanju na substrat nanašajo radikalni monomeri C59N.
XPS meritve globokih nivojev C 1s in N 1s so pokazale strukturo satelitskih vrhov, ki je značilna pri dodatnem vzbujanju elektronskih prehodov v valenčnem pasu iz zasedene (HOMO) v nezasedeno (LUMO) molekulsko orbitalo, t.i. ‘’shake-up’’ satelitskih vrhov. S pomočjo NEXAFS meritev smo ugotovili, da se pri majhni pokritosti substrata molekule orientirajo z dušikom pretežno v smeri proti substratu in s tem ostanejo v svoji monomerni obliki, zaradi interakcije s površino pa izgubijo radikalni karakter [11].
Nasprotno smo pri večji pokritosti (dve molekulski plasti) opazili spremenjeno orientacijo molekul v takšni smeri, da je os center molekule-dušik usmerjena vzporedno s površino substrata. Skupaj z obliko in lego N 1s ‘’shake-up’’ vrhov to kaže na ponovno tvorbo C-C vezi med monomernimi enotami ter s tem povezano izgubo radikalnega karakterja. Članek z ugotovitvami je v pripravi, izpostavimo lahko prepoznano pomembnost raziskav s pozitivno evalvacijo dveh predlogov merilnih projektov na sinhrotronu Elettra s strani mednarodnih ocenjevalcev projektov [11].
Reference:
[1] Vabljeno predavanje: Peter Jeglič, »Suppression of dark-state polariton collapses in EIT-based cold-atom quantum memory«, Nonequilibrium Quantum Workshop, Krvavec (2022). [COBISS.SI-ID 134025219]
[2] Plakat: Vesna Pirc Jevšenak in drugi, »Kvantni spomin s hladnimi atomi cezija v prisotnosti magnetnega polja«, 12. konferenca fizikov v osnovnih raziskavah, Terme Čatež (2022). [COBISS.SI-ID 136339971]
[3] Strokovni članek: Erik Zupanič in Peter Jeglič, »Laboratorij za hladne atome«, Novice IJS (2022). [COBISS.SI-ID 135961347]
[4] Radijska oddaja: Rok Žitko in Peter Jeglič, »Kvantna prihodnost 1/3 : prvi koraki do kvantne premoči«, RTV Slovenija, Val 202, oddaja Frekvenca X, 21. 1. 2021. [COBISS.SI-ID 48191235]
[5] Radijska oddaja: Rok Žitko in Peter Jeglič, »Kvantna prihodnost 2/3 : Teleportacija? Tudi to je mogoče!«, RTV Slovenija, Val 202, oddaja Frekvenca X, 28. 1. 2021. [COBISS.SI-ID 49109251]
[6] Radijska oddaja: Rok Žitko in Peter Jeglič, »Kvantna prihodnost 3/3 : varne komunikacije in nevaren nadzor«, RTV Slovenija, Val 202, oddaja Frekvenca X, 4. 2. 2021. [COBISS.SI-ID 50302467]
[7] Vabljeno predavanje: Peter Jeglič, »Quantum technologies with cold atoms«, Poletna šola »Physics in Ljubljana 2022«, Ljubljana (2022). [COBISS.SI-ID 135959043]
[8] Vabljeno predavanje: Peter Jeglič in Rok Žitko, »Introduction to quantum technologies«, European Quantum Week, Berlin (2020). [COBISS.SI-ID 48191747]
[9] Vabljeno predavanje: RAMŠAK, Anton, “The transition of quantum entanglement from the foundations of quantum mechanics to applied technology”, 19. simpozij fizikov Univerze v Mariboru [COBISS.SI-ID 134956547]
[10] Predstavitev monografije o kvantni mehaniki: RAMŠAK, Anton (diskutant), ŽUNKOVIČ, Igor (diskutant), ŽUNKOVIČ, Bojan (diskutant). Foersterjev vrt za Filozofsko fakulteto UL, 26. maj 2022. [COBISS.SI-ID 109910787]
[11] Accepted Synchrotron Elettra Proposal “Electronic Structure and Azafullerene Radical formation entrapped in cycloparaphenylene ring”, ID 20220129
[12] Accepted Synchrotron Elettra Proposal “Electronic Structure and Azafullerene Radical formation entrapped in cycloparaphenylene ring”, ID 20225294
[13] Znanstveni članek: Ribezzo Domenico, Pušavec Žiga, Kaltenbaek Rainer, Ramšak Anton et al., »Deploying an inter-European quantum network«, Adv. Q. Tech. 2022 [COBISS-ID 133914115]
[14] Magistrsko delo: Skok Krištof, »Cavity-enhanced second-harmonic generation of narrowband 655 nm light«, FMF 2022.
