Forskere demonstrerer det manglende link til et kvante -internet

Et kvanteinternet kunne bruges til at sende uhackbare beskeder, forbedre nøjagtigheden af ​​GPS, og muliggør skybaseret kvanteberegning. I mere end tyve år, drømme om at skabe et sådant kvantenetværk er for en stor del forblevet uden for rækkevidde på grund af vanskeligheden ved at sende kvantesignaler over store afstande uden tab.

Nu, Harvard og MIT forskere har fundet en måde at korrigere for signaltab med en prototype kvante node, der kan fange, gemme og sammenfiltre bits af kvanteinformation. Forskningen er det manglende led mod et praktisk kvanteinternet og et stort skridt fremad i udviklingen af ​​langdistance kvantenetværk.

"Denne demonstration er et konceptuelt gennembrud, der kan udvide den længst mulige række af kvantenetværk og potentielt muliggøre mange nye applikationer på en måde, der er umulig med nogen eksisterende teknologier, " sagde Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett professor i fysik og meddirektør for Harvard Quantum Initiative. "Dette er virkeliggørelsen af ​​et mål, som vores kvantevidenskabelige og ingeniørfaglige samfund har forfulgt i mere end to årtier."

Forskningen er publiceret i Natur .

Enhver form for kommunikationsteknologi – fra den første telegraf til nutidens fiberoptiske internet – har skullet adressere det faktum, at signaler nedbrydes og går tabt, når de transmitteres over afstande. De første gengangere, som modtager og forstærker signaler for at korrigere for dette tab, blev udviklet til at forstærke fading wire telegraf signaler i midten af ​​1800-tallet. To hundrede år senere, repeatere er en integreret del af vores langdistancekommunikationsinfrastruktur.

I et klassisk netværk, hvis Alice i New York vil sende Bob i Californien en besked, beskeden bevæger sig fra kyst til kyst i mere eller mindre en lige linje. Langs vejen, signalet går gennem repeatere, hvor det læses, forstærket og rettet for fejl. Hele processen er på ethvert tidspunkt sårbar over for angreb.

Hvis Alice vil sende en kvantebesked, imidlertid, processen er anderledes. Kvantenetværk bruger kvantepartikler af lys - individuelle fotoner - til at kommunikere kvantetilstande af lys over lange afstande. Disse netværk har et trick, som klassiske systemer ikke har:sammenfiltring.

Entanglement - hvad Einstein kaldte "uhyggelig handling på afstand" - gør det muligt for bits af information at blive perfekt korreleret på tværs af enhver afstand. Fordi kvantesystemer ikke kan observeres uden at ændre sig, Alice kunne bruge forviklinger til at sende beskeder til Bob uden frygt for aflytning. Denne forestilling er grundlaget for applikationer som kvantekryptografi - sikkerhed, der er garanteret af kvantefysikkens love.

Kvantekommunikation over lange afstande, imidlertid, er også påvirket af konventionelle fotontab, hvilket er en af ​​de store hindringer for at realisere storskala-kvanteinternet. Men, det samme fysiske princip, der gør kvantekommunikation ultrasikker, gør det også umuligt at bruge eksisterende, klassiske repeatere til at rette op på informationstab.

Hvordan kan man forstærke og korrigere et signal, hvis man ikke kan læse det? Løsningen på denne tilsyneladende umulige opgave involverer en såkaldt kvanterepeater. I modsætning til klassiske repeatere, som forstærker et signal gennem et eksisterende netværk, kvante repeatere skaber et netværk af sammenfiltrede partikler, hvorigennem en besked kan transmitteres.

I det væsentlige, en kvanterepeater er en lille, kvantecomputer til særlige formål. På hvert trin af et sådant netværk, kvanterepeatere skal være i stand til at fange og behandle kvantebits af kvanteinformation for at rette fejl og gemme dem længe nok til, at resten af ​​netværket er klar. Indtil nu, det har været umuligt af to grunde:For det første, enkelte fotoner er meget vanskelige at fange. Sekund, kvanteinformation er notorisk skrøbelig, hvilket gør det meget udfordrende at behandle og opbevare i lange perioder.

Lukins laboratorium, i samarbejde med Marko Loncar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS),

Hongkun Park, Mark Hyman Jr. professor i kemi ved Harvard Faculty of Arts and Sciences (FAS), og Dirk Englund, Lektor i elektroteknik og datalogi ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), har arbejdet på at udnytte et system, der kan udføre begge disse opgaver godt - silicium-ledige farvecentre i diamanter.

Disse centre er små defekter i en diamants atomstruktur, der kan absorbere og udstråle lys, giver anledning til en diamants strålende farver.

"I løbet af de sidste mange år, vores laboratorier har arbejdet på at forstå og kontrollere individuelle silicium-ledige farvecentre, især omkring hvordan man bruger dem som kvantehukommelsesenheder til enkelte fotoner, "sagde Mihir Bhaskar, en kandidatstuderende i Lukin-gruppen.

Forskerne integrerede et individuelt farvecenter i et nanofremstillet diamanthulrum, som begrænser de informationsbærende fotoner og tvinger dem til at interagere med det enkelte farvecenter. De anbragte derefter enheden i et fortyndingskøleskab, som når temperaturer tæt på absolut nul, og sendte individuelle fotoner gennem fiberoptiske kabler ind i køleskabet, hvor de effektivt blev fanget og fanget af farvecentret.

Enheden kan gemme kvanteinformationen i millisekunder - længe nok til, at information kan transporteres over tusindvis af kilometer. Elektroder indlejret omkring hulrummet blev brugt til at levere kontrolsignaler til at behandle og bevare informationen, der er lagret i hukommelsen.

"Denne enhed kombinerer de tre vigtigste elementer i en kvanterepeater - en lang hukommelse, evnen til effektivt at fange information fra fotoner, og en måde at behandle det lokalt, "sagde Bart Machielse, en kandidatstuderende i Laboratoriet for Nanoskala Optik. "Hver af disse udfordringer er blevet behandlet separat, men ingen enhed har kombineret alle tre."

"I øjeblikket, vi arbejder på at udvide denne forskning ved at implementere vores kvantehukommelser i virkeligheden, by fiberoptiske forbindelser, sagde Ralf Riedinger, en postdoc-kandidat i Lukin-gruppen. "Vi planlægger at oprette store netværk af sammenfiltrede kvantehukommelser og udforske de første applikationer af kvanteinternet."

"Dette er den første demonstration på systemniveau, kombinere store fremskridt inden for nanofabrikation, fotonik og kvantekontrol, der viser klare kvantefordele ved at kommunikere information ved hjælp af kvanterepeaterknudepunkter. Vi glæder os til at begynde at udforske nye, unikke applikationer ved hjælp af disse teknikker, sagde Lukin.