Fysikere viser, at fejlkorrektion i realtid i kvantekommunikation er mulig

I en banebrydende undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature, viste et hold fysikere ledet af Dr. Michelle Simmons fra University of New South Wales (UNSW) i Sydney, Australien, at kvantefejlkorrektion i realtid er mulig i kvantekommunikation. Dette fremskridt repræsenterer et væsentligt skridt hen imod sikring af kvanteinformationstransmission og kan revolutionere fremtiden for kvantecomputere og kvantekryptografi.

Kvantekommunikation, i modsætning til dens klassiske modstykke, bruger kvantemekanikkens principper til at overføre information. Dette giver et betydeligt potentiale for sikre kommunikationsmetoder og har fanget det videnskabelige samfunds opmærksomhed. Imidlertid er kvanteinformation i sagens natur skrøbelig og tilbøjelig til fejl, primært på grund af interaktioner med dens omgivelser.

Quantum error correction (QEC) er blevet foreslået som en løsning på disse udfordringer. Ved at inkorporere redundante qubits i den transmitterede information og udføre specifikke operationer kan QEC-teknikker detektere og rette fejl, der måtte opstå under transmissionen. Den konventionelle tilgang til QEC involverer imidlertid komplekse multi-qubit-interaktioner, der kræver præcis kontrol og feedback i realtid, som blev betragtet som væsentlige hindringer for implementeringen.

I deres undersøgelse lykkedes det Dr. Simmons og hendes kolleger at overvinde disse udfordringer gennem en ny tilgang, der involverer et hybridt kvante-klassisk system. De realiserede QEC ved at sammenflette kvanteberegning i solid-state qubits med klassisk beregning på et feltprogrammerbart gatearray (FPGA). Denne opsætning muliggjorde fejlkorrektion i realtid, mens kvanteinformationen blev transmitteret.

Holdet implementerede en QEC-protokol kendt som tre-qubit-koden. Denne protokol kræver tre fysiske qubits for at kode en enkelt qubit af kvanteinformation. Ved at udnytte FPGA til overvågning i realtid blev fejl opdaget og rettet i realtid, hvilket bevarer integriteten af ​​den transmitterede kvanteinformation.

Demonstrationen af ​​real-time QEC er et stort gennembrud inden for kvantekommunikation. Det baner vejen for udviklingen af ​​mere pålidelige kvantekommunikationsnetværk, som kunne danne grundlaget for ultrasikre kommunikationsprotokoller og fremskridt inden for kvanteberegning og kvantesansning.

For bedre at forstå betydningen af ​​denne præstation, lad os dykke dybere ned i implikationerne og potentielle anvendelser af real-time QEC i kvantekommunikation:

1. Sikker kommunikation:Kvantekommunikation giver løftet om ubrydelige kommunikationskanaler, især i scenarier, der involverer udveksling af følsom information eller diplomatisk kommunikation. Det er imidlertid altafgørende at sikre transmissionen af ​​kvanteinformation mod fejl og aflytningsforsøg for at realisere kvantenetværkets fulde potentiale. Real-time QEC øger sikkerheden ved kvantekommunikation ved at detektere og korrigere fejl, der kan opstå fra støj og andre negative virkninger.

2. Kvantecomputere:Udviklingen af ​​kvantecomputere har fået stor opmærksomhed på grund af deres potentiale for eksponentiel fremskyndelse i løsning af komplekse beregningsproblemer, som i øjeblikket er vanskelige at løse med klassiske computere. Kvantecomputere er dog ekstremt modtagelige for fejl, hvilket begrænser deres praktiske anvendelser. Evnen til at udføre real-time QEC åbner nye muligheder for at opnå pålidelig kvanteberegning ved at adressere og afbøde fejl, når de opstår under beregninger.

3. Kvantesensorer:Kvantesensorer bruger kvantefænomener til at måle fysiske egenskaber med enestående følsomhed, der langt overgår klassiske sensorer. Real-time QEC kan forbedre nøjagtigheden og præcisionen af ​​kvantesensorer ved at minimere påvirkningen af ​​miljøstøj og andre fejlkilder, der kan kompromittere måleresultater. Dette kunne muliggøre fremskridt inden for områder som biomedicinsk sansning, mikroskopi og gravitationsbølgedetektion.

4. Kvantemetrologi:Kvantemetrologi udnytter kvanteprincipper til at forbedre præcisionen af ​​forskellige målinger, såsom tidtagning, afstandsmålinger og magnetfeltføling. Real-time QEC kan afbøde virkningerne af dekohærens og upræcis, hvilket muliggør meget nøjagtige målinger og forbedret ydeevne af kvantemetrologiske enheder.

Som konklusion repræsenterer demonstrationen af ​​kvantefejlkorrektion i realtid af fysikere ved UNSW en væsentlig milepæl inden for kvantekommunikation. Ved at overvinde udfordringerne forbundet med konventionelle QEC-tilgange giver dette gennembrud et løfte om udviklingen af ​​mere sikre kvantekommunikationsnetværk og fremskridt inden for kvanteberegning, kvanteregistrering, kvantemetrologi og relaterede teknologier.