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Robot Apocalypse

Professor Stephen Hawking has pleaded with world leaders to keep technology under control before it destroys humanity.

venerdì 4 luglio 2008

QUANTUM ENTANGLEMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY

(Credit: Purdue University/David Ebert)

Un atomo artificiale il cui stato quantico può essere manipolato. "Il sogno di creare computer quantistici su larga scala si fa ora più realistico".

Gerhard Klimeck, professore di Ingegneria Elettrica e Informatica alla Purdue University e direttore associato per la tecnologia del Network for Computational Nanotechnology, insieme col suo studente Rajib Rahman, ha sviluppato una nuova versione del programma per creare modelli nano-elettronici "NEMO 3-D" in modo da simulare il comportamento di nanomateriali.

La realizzazione di computer quantistici affidabili permetterà di processare l'informazione in modo più rapido e più massiccio usando "quantum bits" (qubits), sfruttando le proprietà del tutto uniche della meccanica quantistica, passando dall'approccio sequenziale a quello simultaneo. Due computer quantistici, in teoria, potrebbero comunicare tra loro istantaneamente anche se separati da distanze inimmaginabili, perfino siderali.

"Per poter realizzare un computer quantistico", dice Klimeck, "bisogna riuscire a controllare gli stati quantici (le funzioni d'onda di una particella o di un atomo che riassumono tutte le informazioni circa la probabilità che una particella si trovi in un certo intervallo, cioè abbia un valore definito). Grazie all'atomo artificiale che abbiamo creato, possiamo controllare la locazione dell'elettrone e quindi controllare lo stato quantico con un campo elettrico applicato dall'esterno".

"Per capire meglio le caratteristiche quantiche", racconta Klimeck, "abbiamo deciso di creare un modello al computer provando con tanti diversi atomi". La simulazione ha mostrato una molecola ibrida, formata ad un'estremità dall'arsenico in una forma sferica normale e all'altra da un atomo artificiale, non esistente in natura, dalla forma appiattita, bidimensionale. Controllando il voltaggio, i ricercatori hanno poi scoperto che riuscivano a far muovere un elettrone fino alle due estremità della molecola facendolo esistere in uno stato intermedio (quantico).

Il modello è stato poi visualizzato grazie a David Ebert, professore di Ingegneria Elettrica e Informatica alla Purdue, e al suo studente Insoo Woo.

"Con questa scoperta", dice Klimeck, "l'industria nano-elettronica ha raggiunto il livello in cui è possibile studiare e manipolare lo stato quantico di un singolo atomo. È il limite ultimo, più a fondo di così non possiamo andare".

Al Nano-Science Center del Niels Bohr Institute della University of Copenhagen, è stato compiuto un altro importante passo verso la realizzazione di un computer quantistico (la ricerca è stata pubblicata su Nature Physics).

Jonas Hauptmann, Jens Paaske e Poul Erik Lindelof, usando nanotubi al carbonio come transistors, sono riusciti a controllare la direzione della rotazione degli elettroni direttamente, mediante l'applicazione di un potenziale elettrico, e quindi usare l'elettrone come un atomo artificiale. È la prima volta che si riesce a fare ciò in pratica, prefigurando i transistors di prossima generazione, in cui un nanotubo al carbonio o una singola molecola organica sostituirà il tradizionale transistor fatto di materiale semiconduttore come il silicio

L'utilizzo dei nanotubi al carbonio è dovuto alle proprietà uniche di questi nanomateriali e all'assenza di magnetismo che nei materiali tradizionali può essere disturbante.

Riuscendo ad ottenere il controllo elettrico diretto della rotazione di un singolo elettrone, i ricercatori hanno aperto la strada ai nano-transistors di prossima generazione in cui un nanotubo al carbonio o una singola molecola organica saranno usati come memorie magnetiche.

Fisici della Cornell University, impegnati nello stesso campo di sperimentazione, hanno scoperto come controllare la rotazione dell'elettrone manipolando la sua orbita (il lavoro è apparso su Nature).

Gli elettroni liberi in un nanotubo orbitano attorno alla circonferenza del tubo e la loro rotazione può orientarsi in due possibili direzioni. Finora, i fisici ritenevano che i quattro possibili stati della rotazione di un elettrone - su, giù, oraria e antioraria - fossero perfettamente equivalenti. I professori di fisica della Cornell Paul McEuen e Daniel Ralph, insieme a due ex ricercatori della Cornell - Shahal Ilani, ora al Weizmann Institute of Science in Israele, e Ferdinand Kuemmeth, ora alla Harvard University - hanno utilizzato la Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) per creare un piccolo dispositivo in cui un nanotubo al carbonio di circa cinque nanometri di diametro e lungo 500 è stato montato tra due elettrodi sopra una struttura di silicio che consente l'applicazione di vari potenziali elettrici (il design del dispositivo ha reso possibile creare dei "quantum dots", semiconduttori dalle proprietà uniche). Applicando un campo magnetico lungo l'asse del tubo e misurando la corrente generata che lo ha attraversato, i ricercatori hanno potuto determinare i livelli dell'energia degli elettroni nei quattro possibili stati di rotazione, notando che modificando l'orbita si modificava anche l'energia, cioè che l'orbita di un elettrone influenza la sua rotazione e viceversa.

"È interessante dal punto di vista della fisica fondamentale", dice Ilani, "notare come sia la specifica topologia cilindrica del nanotubo a permettere di definire l'orbita degli elettroni e stabilire la relazione con la rotazione".

(Credit: Weizmann Institute)

Fisici del Weizmann Institute hanno dimostrato per la prima volta l'esistenza di "quasiparticelle" con 1/4 della carica di un elettrone. La scoperta potrebbe condurre a computer quantistici topografici (la ricerca è stata pubblicata su Nature).

Sebbene gli elettroni siano indivisibili, se confinati in uno stato bidimensionale all'interno di un semiconduttore, raffreddati fino ad una frazione di gradi sopra lo zero assoluto ed esposti ad un forte campo magnetico, si comportano effettivamente come particelle indipendenti, chiamate quasiparticelle, con cariche più piccole.

Le cariche elettroniche frazionarie sono state predette più di 20 anni fa in condizioni particolari relative all'effetto Hall quantistico frazionario, e sono state poi dimostrate al Weizmann Institute circa 10 anni fa. L'esperimento eseguito dal gruppo del prof. Moty Heiblum, in collaborazione con i Dr. Vladimir Umansky, Diana Mahalu e il prof. Ady Stern, tutti del Condensed Matter Physics Department, che ha portato alla scoperta di quasiparticelle con cariche frazionarie di 1/4, ha prodotto l'arsenuro di gallio più puro al mondo, un materiale dalle proprietà semiconduttrici uniche.

Gli scienziati hanno sintonizzato la densità elettronica nello strato bidimensionale - in cui sono stati confinati circa tre miliardi di elettroni nello spazio di un millimetro quadrato –in modo tale che ci fossero cinque elettroni ogni due flussi di campi magnetici. Il dispositivo creato è somigliante ad una clessidra appiattita con una "vita" molto stretta nel mezzo per consentire il passaggio solo ad un ristretto numero di particelle cariche. Grazie al "rumore" prodotto dalle particelle che non riescono a passare rimbalzando indietro e alle relative fluttuazioni della corrente, gli scienziati hanno potuto misurare accuratamente la carica delle quasiparticelle.

Si spera in futuro di giungere allo sviluppo di computer quantistici topografici, ancora solo teorici, basati sulla capacità delle quasiparticelle con 1/4 di carica di preservare le informazioni in esse contenute anche quando avvengono gli scambi tra particelle.

(Art. di rif.: Dolev et al., "Observation of a quarter of an electron charge at the nu = 5/2 quantum Hall state", Nature, 2008; 452 (7189): 829)

(Credit:Université de Cergy-Pontoise)

Un team di ricercatori della Université de Cergy-Pontoise, in Francia, ha proposto un nuovo modo per ottenere dei qubits da un nanocavo con un nodo.

La geometria può giocare un ruolo decisivo in tali strutture e consentire applicazioni meccanico-quantistiche attraverso curvature indotte.

"Con nostra sorpresa", dice il leader del team Rossen Dandoloff, "l'utilizzo e la conoscenza di questo potenziale negli studi teorici riguardanti le dinamiche quantistiche in due e tre dimensioni è quasi inesistente".

Un nodo stabile, la cui curvatura non può cambiare durante un esperimento, è una idealizzazione matematica. Victor Atanasov, della Bulgarian Academy of Sciences, membro del team, spiega che un qubit può essere ottenuto semplicemente stringendo un nodo in un cavo quantistico, in cui la dinamica quantistica è effettivamente unidimensionale. Il cavo è rivestito con un isolante per restringere le dinamiche interne e prevenire l'effetto tunnel (quando una particella attraversa spontaneamente una barriera violando temporaneamente il principio di conservazione dell'energia della meccanica classica).

Grazie alla barriera opposta dalla curvatura indotta del nodo, l'elettrone confinato nel cavo quantistico può essere diviso in due parti che rappresentano gli stati "0" e "1" mentre un terzo stato, intermedio, può essere ottenuto mediante microonde ad una specifica frequenza di risonanza accoppiata all'applicazione di un campo elettromagnetico.

Se la particella intrappolata nel cavo è carica, indurrà una simmetria elettrica nel nodo, rendendo possibili interazioni tra qubits. "Non siamo ancora sicuri se funzionerà", dice Atanasov, "ma nel caso sarà una nanotecnologia economica e di facile realizzazione".

Il team ha in programma di sperimentare anche altri tipi di nodi e magari realizzare nanodispositivi ibridi capaci di sfruttare oltre alle dinamiche ristrette dalle curvature indotte anche la spintronica.

Due ricercatori della Arizona State University, Richard Akis e David Ferry, entrambi del dipartimento di Ingegneria Elettrica Nanostructures Research Group, hanno proposto un'altra soluzione per realizzare qubits (apparsa su un edizione speciale del Journal of Physics).

I qubits rappresentano un intero range di valori che corrisponde fisicamente all'angolo di rotazione di un elettrone. Gli elettroni e altre particelle subatomiche ruotano attorno al nucleo a certe inclinazioni o "precessioni", secondo direzioni quantizzate. Siccome c'è un infinito numero di angoli di inclinazione, ci sono in teoria un numero infinito di valori che un qubit può immagazzinare. In pratica, il numero di valori disponibili dipende dalla tecnologia usata e da altri limiti teorici contemplati dall'informatica.

Il problema è che gli stati quantici sono difficili da misurare e definire. Akis e Ferry, in collaborazione con l'ex collega Jonathan Bird, ora alla University of Buffalo, sono riusciti a misurare gli stati quantici sfruttando l' "entanglement", la correlazione quantistica che si verifica quando due particelle interagiscono a distanza.

La tecnica di misurazione si basa su stati quantici prodotti da interazioni tra elettroni, interazioni complesse e ancora in parte misteriose, spesso ignorate del tutto dai modelli meccanico/quantistici che si affidano a modelli approssimativi. Akis e Ferry hanno dunque realizzato un modello per spiegare le interazioni tra elettroni misurate da Bird.

Un modo di immagazzinare qubits è attraverso i "Quantum Point Contacts" (QPCs) - Punti di Contatto Quantici - l'equivalente quantistico del gate dei transistors utilizzati nei computer tradizionali. Generalmente, il comportamento quantistico degli elettroni è rappresentato da un grafico a scalini basato su approssimazioni che non considera le interazioni tra elettroni che ruotano in diverse direzioni.

Secondo il modello di Akis e Ferry, gli elettroni che attraversano i QPCs reagiscono così come l'acqua quando incontra una serie di colline o di valli, ma in modo differente a seconda della direzione della loro rotazione.

Una volta studiate le diverse reazioni, è possibile confinare determinate particelle nel mezzo dei QPCs e misurarne la polarizzazione attraverso l'entanglement sperimentato da Bird.

Un gruppo australiano guidato da Andrew White della University of Queensland ha costruito e testato delle porte logiche quantistiche utilizzabili come qutrit sfruttando le dimensioni extra della meccanica quantistica.

Un qubit può essere codificato mediante la polarizzazione di un fotone. Ma se si sfruttano anche altre dimensioni, come il tempo di arrivo, il numero o la frequenza dei fotoni, si può codificare un qutrit, capace rappresentare la sovrapposizione di tre stati (0, 1 e 2). L'idea del team di White, come riportato da Nature, è di usare le porte quantistiche per convertire prima i qubits in qutrits, processare l'informazione quantistica, e poi riconvertire i qutrits in qubits. In questo modo, si avrebbe un drastica riduzione del numero di porte necessarie per eseguire un compito specifico.

Usando solo tre porte multidimensionali, il team è riuscito a realizzare e testare una porta di Toffoli - una porta logica universale reversibile, conosciuta come porta "controllata-no-controllata", inventata da Tommaso Toffoli - che sfrutta 6 porte logiche quantistiche convenzionali. Un computer quantistico fatto di 50 porte logiche quantistiche convenzionali, potrebbe essere realizzato con sole 9 porte di Toffoli multidimensionali basate su tecnologia ottica lineare.

(Art. di rif: "Quantum Computing using Shortcuts through Higher Dimensions" arxiv.org/abs/0804.0272)

(Credit: Vincent Boyer/JQI)

Un gruppo di ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI) del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università Maryland hanno prodotto delle "immagini quantistiche", schemi visivi accoppiati ricchi di informazioni le cui fluttuazioni sono "entangled", inestricabilmente e quantisticamente correlate (il lavoro è stato descritto dal leader del team, Paul Lett del JQI, su Science Express).

La tecnica per produrre immagini quantistiche, che i suoi creatori definiscono semplice, versatile ed efficiente, potrebbe in futuro essere sfruttata per archiviare strutture complesse di dati nei computer quantistici e trasmettere grandi quantità di informazioni in modo sicuro.

"Le immagini sono sempre state uno dei metodi di comunicazione preferiti dato che nei loro dettagli trasportano moltissima informazione", osserva Vincent Boyer, che ha coordinato lo studio, "finora, tuttavia, le macchine fotografiche e gli altri rilevatori ottici hanno ignorato una gran quantità di informazioni utili presenti nelle immagini. Ma ora potremo trarre vantaggio dagli aspetti quantistici delle immagini".

Le cineprese convenzionali o le macchine digitali rilevano solo il colore e l'intensità di un'onda luminosa che incide sulla superficie dei loro sensori. Un ologramma registra anche la fase di un'onda luminosa, ossia l'esatta localizzazione delle sue creste e degli "avvallamenti". In un'onda luminosa, però, c'è molta più informazione: la luce ha delle "incertezze" intrinseche nelle proprie caratteristiche, che si manifestano come fluttuazioni quantistiche. La possibilità di controllare queste fluttuazioni, che rappresentano una sorta di "rumore", può migliorare la rilevazione di oggetti altrimenti indistinti, consentire una migliore amplificazione delle immagini e posizionare meglio i fasci laser.

I ricercatori non possono eliminare del tutto questi "rumori", ma possono riarrangiarli in modo da manipolare alcune caratteristiche dell'immagine. Con la tecnica meccanico-quantistica di "squeezing", ad esempio, possono ridurre il rumore in una proprietà dell'immagine, come l'intensità, ed aumentarlo in un'altra ad essa complementare, come la fase. La fisica moderna non solo consente di ridurre il rumore ma anche di utilizzare le immagini per nuove applicazioni, ad esempio per il trasferimento di dati criptati protetti dalle leggi della meccanica quantistica e l'esecuzione di elaborazioni parallele dell'informazione in computer quantistici.

Le immagini quantistiche ottenute dai ricercatori sono state inoltre prodotte in coppie: trasmesse da due fasci luminosi originati da uno stesso punto, le due immagini sono in uno stato di entanglement, in quanto le fluttuazioni casuali di una saranno del tutto simili nell'altra, anche se separate e non in grado di trasmettersi informazioni, e anche "squeezed", in quanto nelle loro fluttuazioni il rumore è estremamente basso e l'informazione che possono contenere è potenzialmente più alta rispetto a quella di due immagini classiche.

Per creare tali immagini, i ricercatori hanno usato un metodo semplice e potente conosciuto come "four-wave mixing" (mix a quattro onde), una sorta di distorsione modulata che sfrutta l'interazione di onde luminose e gas: gli atomi del gas interagiscono con la luce, assorbendo energia e ri-emettendo una versione amplificata dell'immagine originale; in aggiunta, una seconda immagine complementare è creata dalla luce emessa dagli atomi come una copia rovesciata della prima immagine, ruotata di 180 gradi e di colore leggermente diverso.

Nell'esperimento, ogni immagine è risultata composta di 100 distinte regioni, simili ai pixels che formano un'immagine digitale, ognuno con le proprie indipendenti proprietà ottiche e di rumore. Essendo correlate, i pixels di un'immagine influenzano direttamente quelli dell'altra.

Il prossimo passo sarà produrre immagini quantistiche con luce rallentata utilizzabili per lo storaggio e l'elaborazione di informazioni ma anche per applicazioni in sistemi di comunicazione.

(Art. di rif.: V. Boyer, A. Marino, R. Pooser, P. Lett. - "Entangled Images from Four-Wave Mixing", Science Express, 12 giugno 2008).

Un gruppo di ingegneri e fisici della University of California-Santa Barbara e della Stanford University ha creato una porta logica quantistica che sfrutta le interazioni tra due particelle di luce (il lavoro è apparso su Nature).

Il team della Stanford, guidato dal professore di Ingegneria Elettrica Jelena Vuckovic, ha utilizzato un dispositivo allo stato solido in grado di produrre in modo affidabile un'interazione tra fotoni. Più precisamente, un quantum dot - ovvero una nanostruttura semiconduttrice - composta da molecole di arsenuro di indio all'interno di una cavità di un cristallo fotonico e un chip di arsenuro di gallio con dei buchi per intrappolare i fotoni e farli interagire con il quantum dot.

"Abbiamo creato un sistema composto da un singolo quantum dot in una cavità che può essere usato come una porta logica e abbiamo dimostrato che due fotoni possono essere fatti interagire l'un l'altro", dice Ilya Fushman, studente alla Stanford e membro del team.

Secondo Vuckovic, rispetto a precedenti esperimenti, non è più richiesta la complicata tecnica per intrappolare gli atomi, molto meno pratica rispetto all'implementazione di un chip semiconduttore, dato che un computer quantistico richiede centinaia di migliaia di nodi logici. Mentre il nuovo dispositivo è fatto di materiali e di processi manifatturieri molto più familiari ai produttori di chip.

La porta foto-quantistica funzionerà rilevando le proprietà dei fotoni di input da due fasci di luce, chiamati di "controllo" e di "segnale", e produrrà una uscita basata sulla polarizzazione di uno dei due fotoni di input. La sfida consiste nell'eliminare le imperfezioni nel processo di nano-manifatturazione, posizionando perfettamente il quantum dot nel cristallo.

"Crediamo che la sfida nano-ingegneristica possa essere vinta e che si possa aprire la strada a porte logiche foto-quantistiche basate su chip", ha detto Vuckovic.

Hanno "sparato" singoli fotoni nello spazio per poi ricaptarli dopo che erano stati riflessi dal satellite giapponese Ajisai, in orbita attorno alla Terra a 1500 chilometri di quota. L'impresa, la prima di questo genere, è stata compiuta dal gruppo di ricerca dell'Università di Padova diretto da Paolo Villoresi e Cesare Barbieri (illustrata in un articolo pubblicato sul New Journal of Physics).

I ricercatori sono stati in grado di provare che i fotoni ricevuti di ritorno dal Matera Laser Ranging Observatory, presso il Centro di Geodesia Spaziale di Matera dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI), che ha partecipato al finanziamento della ricerca, erano proprio quelli che erano stati inviati poco prima. Il successo dell'esperimento rappresenta un passo molto importante per la creazione di un sistema di comunicazione quantisticamente criptata, che in futuro potrà assicurare che i messaggi inviati non siano stati intercettati e crackati, in grado di operare a vasto raggio e di sfruttare i sistemi satellitari.

Finora, la comunicazione quantistica criptata era stata dimostrata realizzabile per una distanza massima di 150 chilometri, sfruttando cavi in fibra ottica o telescopi, due tecniche che presentano alcuni inconvenienti: la prima per la presenza di fenomeni di assorbimento e di "scattering", la seconda per la sensibilità alle condizioni atmosferiche.

Alla ricerca ha partecipato anche un gruppo di ricerca dell'Università di Vienna diretto da Anton Zeilinger. Ora i ricercatori passeranno alla fase successiva, testando la possibilità di inviare e ricevere da satellite chiavi quantistiche.

Il team di Prem Kumar, professore di Ingegneria Elettrica e Informatica alla Northwestern University e direttore del Center for Photonic Communication and Computing, ha mostrato come costruire un porta logica quantistica mediante una fibra ottica. In prospettiva, si prevede la realizzazione di circuiti quantistici capaci di trasportare informazioni in modo estremamente sicuro lungo centinaia di chilometri di fibra da un computer ad un altro, in un network quantistico.

Usando fotoni correlati (entangled) generati in fibre ottiche come qubits, il gruppo di Kumar è riuscito ad implementare il più basilare dei compiti di un computer una porta logica controllabile che fa interagire due qubits fotonici (il lavoro è stato recensito su Physical Review Letters).

Una porta logica è un dispositivo che riceve un input, esegue una operazione logica e produce un output. Il team di Kumar ha creato una porta NOT controllata, del tipo di quelle classiche che nei computer tradizionali passano da "1" a "0" e viceversa, con la differenza che grazie alla correlazione quantistica può assumere anche i valori "1" e "0" contemporaneamente. Questo perché le caratteristiche fisiche dei fotoni usati come qubits, come la polarizzazione, sono correlate in modo che se un fotone assume un particolare stato fisico, l'altro fotone istantaneamente assume lo stato corrispondente.

Le porte logiche quantistiche realizzate in precedenza funzionano con fasci laser che viaggiano nell'aria. Per la prima volta, il team di Kumar ha posto le basi per comunicazioni quantistiche via fibra. Si tratta ora di testare la nuova creazione in applicazioni specifiche conducendo esperimenti su un network quantistico reale.

Per utilizzare la porta logica quantistica, c'è bisogno di fotoni identici in tutto tranne che per la polarizzazione, ovvero l'orientamento dei campi elettromagnetici. I fotoni quasi identici vengono inviati lungo la fibra ottica alla porta stessa, un piccolo labirinto di circuiti che fa ruotare i fotoni in differenti direzioni, secondo la loro polarizzazione, producendo l'entanglement: solo quando i fotoni raggiungono dei rilevatori, in modo da poter misurare se l'entanglement è avvenuto, i ricercatori possono dire se la porta sta effettivamente funzionando.

"L'unico modo per saperlo è attendere finché un insieme di fotoni non attraversi la porta", dice Carl Williams, coordinatore del Quantum Information Program al National Institute of Standards and Technology, "spesso la porta fallisce perché non si produce nessun entanglement, è qualcosa di probabilistico".

"Si tratta comunque di un importante passo in avanti verso la realizzazione di una Internet quantistica", dice Seth Lloyd, professore di Ingegneia Meccanica al MIT, tra i ricercatori leader nel campo della computazione quantistica.

Un network del genere consentirà comunicazioni ultra-veloci, ultra-potenti e ultra-sicure.

(Art. di rif.: "Demonstration of a Quantum Controlled-NOT Gate in the Telecommunications Band", Physical Review Letters, 4 aprile 2008).

Non a caso, il gruppo di Kuram è finanziato dalla DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) che punta molto sulla realizzazione di un network quantistico per mantenere la supremazia tecnologica americana in campo militare, dato che offrirebbe, grazie alla crittografia quantistica, maggiori garanzie di sicurezza per le comunicazioni che devono rimanere segrete.

Anche la Cina sta investendo molto - circa 30 milioni di dollari - nel tentativo di giungere per prima a sistemi di comunicazione quantistica tra stazioni terrestri e satelliti o anche tra satelliti e satelliti.

Il programma di ricerca quantistica della DARPA, chiamato "QuEST" (Quantum Entanglement Science and Technology) finanzia vari progetti finalizzati al controllo e al trasporto di multi-qubits correlati e anche alla conversione di diversi tipi di qubits - da elettronici a fotonici - per capire per quanto tempo è possibile preservare gli stati di correlazione.

Purdue University

NCN

Nano Science Center

Université de Cergy-Pontoise

Arizona State University

Weizmann Institute of Science

Cornell NanoScale Science & Technology Facility

Nanoscale and Quantum Photonics Lab

Centre for Space Geodesy

Quantum Information Program

Joint Quantum Institute (JQI)

http://www.photonics.com/

http://www.quantinfo.org

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