Hyperentanglement på tværs af tagplader baner vejen mod et globalt kvanteinternet

(Phys.org) - For første gang, fysikere har demonstreret, at hyperentanglede fotoner kan transmitteres i det frie rum, som de viste ved at sende mange tusinde af disse fotoner mellem hustagene i to bygninger i Wien. Hyperentanglement betyder, at fotonerne samtidig er viklet ind i mindst to forskellige egenskaber - i dette eksperiment, forskerne kombinerede to todimensionalt sammenfiltrede egenskaber for at opnå fire-dimensionel hyperentanglement.

Ved at vise, at hyperentanglement -transmission er mulig i den virkelige verden og ikke kun i laboratoriet, fysikerne forventer, at demonstrationen en dag kan skaleres op for at etablere et meget sikkert kvanteinternet, der bruger satellitter til hurtigt og sikkert at overføre kvanteinformation over hele kloden.

Fysikerne, ledet af Rupert Ursin ved Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) ved det østrigske videnskabsakademi i Wien, har udgivet et papir om fordelingen af ​​hyperentanglement via atmosfæriske led i ledige rum i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

Hyperentanglede stater har flere fordele i forhold til stater med kun en sammenfiltret ejendom, herunder højere datahastigheder og forbedrede sikkerhedsniveauer i kvantekommunikation. Indtil nu, imidlertid, forsøg med hyperentanglement er kun blevet påvist i beskyttede laboratoriemiljøer over korte afstande. Evnen til at overføre hyperentanglede tilstande via optiske led i ledige rum giver mulighed for transmission over længere afstande, end det er muligt ved hjælp af optiske fibre på jorden.

Som fysikerne forklarer, den enkleste form for sammenfiltring mellem fotoner er polarisationsindvikling. Når det måles, en foton viser en af ​​to polarisationstilstande (lodret eller vandret), producerer todimensionel sammenfiltring i polarisationsgraden af ​​frihed. I todimensionel polariseringskodning, hver foton er begrænset til kodning højst en qubit.

Men der er andre måder at sammenfiltre fotoner på, og disse metoder kan kombineres med polarisationsindvikling for at opnå hyperentanglede fotoner, som har potentiale til at gemme flere qubits.

I det nye værk, fysikerne kombinerede polarisationsforvikling med en anden form for sammenfiltring kaldet energitidsforvikling, som involverer fotonparrets emissionstid og kan antage mange mulige værdier, resulterer i mange højere dimensioner. I dette eksperiment, af tekniske årsager, fysikerne brugte kun to bestemte emissionstider, "tidligt" og "sent, "svarende til to frihedsgrader. Når det kombineres, de to former for sammenfiltring gjorde det muligt for forskerne at oprette fire-dimensionelle hyperentanglede tilstande.

"Vi kodede qubits i to egenskaber ved fotonet samtidigt, "fortalte medforfatter Fabian Steinlechner ved det østrigske videnskabsakademi Phys.org . "Vi koder for en qubit i den velstuderede frihedsgrad af polarisering, og en anden i frihedsgraden tidsenergi, som endnu ikke havde vist sig at modstå transmission via et turbulent led i ledigt rum. På denne måde fordoblede vi mængden af ​​sammenfiltring pr. Foton sammenlignet med tidligere eksperimenter med optiske forbindelser i virkeligheden. Forøgelse af sammenfiltringens dimensionalitet og transmission af højdimensionel forvikling under virkelige atmosfæriske forbindelsesforhold er et vigtigt skridt i retning af mere effektive og praktiske kvantekommunikationssystemer. "

Den hyperentanglede fotonkilde, som genererer par af hyperentanglede fotoner, var placeret i et laboratorium ved IQOQI i Wien. For at demonstrere hyperentanglement distribution, forskerne lagrede en foton fra hvert hyperentanglet par på laboratoriet og sendte den anden foton i hvert par gennem en optisk fiber til et transmitterteleskop på bygningens tag. Teleskopet overførte derefter denne foton i ledigt rum til en modtager på taget af en anden bygning 1,2 km væk, som samlede fotoner og verificerede deres hyperentanglement.

Selvom atmosfærisk turbulens forårsagede transmissionseffektiviteten af ​​de hyperentanglede fotoner til at variere, og cirka halvdelen af ​​de distribuerede fotoner gik tabt på grund af absorption af de optiske komponenter, forskerne opdagede stadig med succes omkring 20, 000 fotonpar i sekundet. Resultaterne viser, for første gang, muligheden for at bruge energitid/polarisering hyperentanglement under virkelige forhold. Forskerne ser nu frem til at udvikle applikationer, der udnytter fordelene ved hyperentanglement.

"Hyperentanglement, samtidig sammenfiltring i flere frihedsgrader, kan bruges til at kode flere sammenfiltrede qubits pr. foton, "sagde medforfatter Sebastian Ecker ved det østrigske videnskabsakademi." Vi omtaler dette som højdimensionel sammenfiltring. Forøgelse af sammenfiltringens dimensionalitet lover højere datahastigheder og forbedrede sikkerhedsniveauer i kvantekryptografi, da forsøg på at kopiere højdimensionelle kvantetilstande resulterer i større fejl sammenlignet med todimensionel kodning, hvilket gør det lettere at opdage en aflytter. Desuden, visse transformationer er lettere at gennemføre, når kvantetilstande er kodet i flere frihedsgrader, som kan lave kvanteinformationsbehandlingsprotokoller, såsom kvanteteleportation og tæt kodning, lettere at implementere i praksis. "

I fremtiden, fysikerne håber at øge dimensionen langt ud over fire dimensioner, skubber mængden af ​​kvanteinformation, der kan transmitteres af en enkelt foton til sine endelige grænser. Dette kan øge datahastighederne i fremtidige satellitforsøg betydeligt.

"I vores eksperiment, vi brugte to dimensioner af tidsenergirummet, "Sagde Steinlechner." Men i modsætning til polarisering, tid-energi sammenfiltring er ikke grundlæggende begrænset til to mulige tilstande, og dens potentielle dimension er større størrelsesordener. "

Hvis hyperentanglement kan overføres højere oppe i rummet, det ville også åbne muligheder for nye former for grundlæggende fysiske eksperimenter. Disse kan omfatte undersøgelse af tyngdekraftsinduceret kollaps af bølgefunktionen og behandling af kvanteoplysninger under relativistiske forhold.

© 2017 Phys.org