Helt-fotoniske kvante-repeatere kan føre til en hurtigere, mere sikkert globalt kvanteinternet

Ingeniørforskere har demonstreret princip-proof for en enhed, der kan tjene som rygraden i et fremtidigt kvanteinternet. University of Toronto Engineering professor Hoi-Kwong Lo og hans samarbejdspartnere har udviklet en prototype til et nøgleelement for alle-fotoniske kvante-repeatere, et kritisk skridt i kvantekommunikation over lange afstande.

Et kvanteinternet er 'hellige gral' for kvanteinformationsbehandling, muliggør mange nye applikationer, herunder informationsteoretisk sikker kommunikation. Dagens internet var ikke specifikt designet til sikkerhed, og det viser:hacking, indbrud og computerspionage er almindelige udfordringer. Nefariske hackere stikker konstant huller i sofistikerede lag af forsvar rejst af enkeltpersoner, virksomheder og regeringer.

I lyset af dette, forskere har foreslået andre måder at overføre data, der ville udnytte nøglefunktioner i kvantefysikken til at levere praktisk talt ubrydelig kryptering. En af de mest lovende teknologier involverer en teknik kendt som quantum key distribution (QKD). QKD udnytter det faktum, at den simple handling at registrere eller måle et kvantesystems tilstand forstyrrer dette system. På grund af dette, enhver tredjeparts aflytning ville efterlade et tydeligt sporbart spor, og kommunikationen kan afbrydes, før følsomme oplysninger går tabt.

Indtil nu, denne type kvantesikkerhed er blevet demonstreret i småskala systemer. Lo og hans team er blandt en gruppe forskere rundt om i verden, der lægger grunden til et fremtidigt kvanteinternet ved at arbejde på at løse nogle af udfordringerne i at overføre kvanteinformation over store afstande, ved hjælp af optisk fiberkommunikation.

Fordi lyssignaler mister styrke, når de rejser lange afstande gennem fiberoptiske kabler, enheder kaldet repeatere indsættes med jævne mellemrum langs linjen. Disse repeatere øger og forstærker signalerne for at hjælpe med at overføre informationen langs linjen.

Men kvanteinformation er anderledes, og eksisterende repeatere til kvanteinformation er yderst problematiske. De kræver lagring af kvantetilstanden på repeaterstederne, gør repeaterne meget mere tilbøjelige til fejl, svært at bygge, og meget dyre, fordi de ofte fungerer ved kryogene temperaturer.

Lo og hans team har foreslået en anden tilgang. De arbejder på udviklingen af ​​den næste generation af repeatere, kaldet all-fotoniske kvante-repeatere, det ville eliminere eller reducere mange af manglerne ved standardkvantegentagere. Med samarbejdspartnere ved Osaka University, Toyama University og NTT Corporation i Japan, Lo og hans team har demonstreret proof-of-concept af deres arbejde i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Naturkommunikation .

"Vi har udviklet alle-fotoniske repeatere, der tillader tidsomvendt adaptiv Bell-måling, "siger Lo." Fordi disse repeatere er helt optiske, de tilbyder fordele, som traditionelle-kvante-hukommelsesbaserede sager-repeatere ikke gør. For eksempel, denne metode kunne fungere ved stuetemperatur. "

Et kvanteinternet kan tilbyde applikationer, der er umulige at implementere på det konventionelle internet, såsom uigennemtrængelig sikkerhed og kvanteteleportation.

"Et helt optisk netværk er en lovende form for infrastruktur til hurtig og energieffektiv kommunikation, der er nødvendig for et fremtidigt kvanteinternet, "siger Lo." Vores arbejde hjælper med at bane vejen mod denne fremtid. "