Tilslutning af kvanteinternettet

Forskere ved Kastler Brossel Laboratory i Paris er lykkedes med at implementere en ny "hybrid" sammenfiltringsbytteprotokol, at bringe forbindelsen mellem forskellige platforme inden for rækkevidde i en fremtid, heterogent struktureret, kvante internet.

I den 29. maj ^th online udgave af Videnskab fremskridt , Prof. Julien Laurat og hans kolleger ved LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France), med samarbejdspartnere på NIST Boulder, har annonceret et vigtigt skridt mod udviklingen af ​​heterogene kvantenetværk. Holdet har demonstreret en måde at forbinde forskellige typer kvante noder, som ikke nødvendigvis er baseret på den samme type kodning. Aktivering af en sådan type link er et afgørende krav for sammenkobling af forskellige fysiske platforme, der kan udføre dedikerede kvanteforstærkede opgaver.

Kvantennetværk er sammensat af kvantesystemer placeret på fjerne noder og forbundet via ikke-klassiske korrelationer kendt som sammenfiltring-den "uhyggelige handling på afstand". De menes at udkonkurrere nuværende klassiske netværk i opgaver lige fra kvantesikker kommunikation til forbedrede målinger. På samme måde som klassiske netværk, hvor information kan kodes i to adskilte digitale eller analoge kodninger afhængigt af opgaverne, kvantenetværk kan stole på to typer kodninger, som eksemplificeret ved partikelbølgedualiteten. På den ene side, side kan man favorisere partikelnaturen af ​​kvantebittene (eller qubits) i en kodning svarende til den digitale, og omtalt som "diskret-variabel". På den anden side, man foretrækker måske at bruge "kontinuerlig variabel, "analog-lignende, kodning, der udspringer af partiklernes bølgede natur-en velkendt konsekvens af kvantemekanikken.

I kvantenetværk, forbindelsen af ​​fjerne noder udføres af en specifik operation kaldet entanglement swapping. Denne procedure gør det muligt at forbinde systemer, der aldrig har interageret før, ved at bruge en specialiseret måling mellem to andre ressourcer, der er indviklet separat med de involverede systemer. Denne operation, kendt som Bell-state måling, effektivt overfører - eller "teleporter" - sammenfiltringen til de endelige systemer. Imidlertid, på grund af forviklingens skrøbelighed, implementering af en protokol så central for etableringen af ​​kvanteforbindelser er en reel udfordring for fysikere. For at opnå overførsel af sammenfiltring og forbindelsen mellem forskellige typer knudepunkter, to stærkt sammenfiltrede tilstande skal produceres-især en "hybrid-viklet" tilstand mellem partikellignende og bølgelignende qubits. Teamet hos LKB har med succes udbredt, fra disse to kilder, sammenfiltring mellem forskellige lystilstande, der aldrig direkte interagerede.

"Dette arbejde er et springbræt for yderligere undersøgelser af implementeringen af ​​heterogene kvantenetværk, "siger Tom Darras, en kandidatstuderende ved LKB og en af ​​avisens førende forfattere. "Indtil nu, to samfund udviklede kvantekommunikation ved hjælp af forskellige ruter. Nu hvor broen er bygget, vi forventer at se, ved at bruge fordelene ved hver gren, fremkomsten af ​​nye hybridscenarier, der går meget længere end den nuværende udvikling. "

De to optiske sammenfiltrede tilstande involveret i eksperimentet er konstrueret ved hjælp af optiske parametriske oscillatorer, som er effektive ikke-lineære kilder. En sammenfiltret tilstand opnås ved at "dele" en enkelt foton mellem to forskellige veje, uden at vide hvilken vej der følges. Den anden er en "hybrid-sammenfiltret" tilstand mellem en diskret-variabel optisk qubit og en kontinuert-variabel Schrödinger cat optisk qubit - med henvisning til Schrödingers Gekanden-eksperiment, der kobler et makroskopisk objekt til et kvantesystem. Når først sammenfiltring er genereret gennem en bebudelsesproces, den byttes derefter via en unik hybrid Bell-state-måling. Forfatterne har gennemført hvert trin i denne demonstration, fra at skabe de indledende sammenfiltrede tilstande til fuldt ud at karakterisere forviklingen efter bytteoperationen.

"Den fulde teamekspertise inden for ingeniørmæssig sammenfiltring, koblet til state-of-the-art værktøjer til kvantetilstandsgenerering og karakterisering, var medvirkende til protokollens succes," tilføjer Giovanni Guccione, en Marie Curie postdoc, der også er en af ​​de førende forfattere til undersøgelsen.

Derudover til oprettelsen af ​​et link mellem forskellige brugere, eksperimentet er et vigtigt skridt i retning af opbygning af skalerbare netværk. "Entanglement er en iboende skrøbelig ressource, hvilket betyder, at dens fordeling over større afstande repræsenterer en betydelig udfordring," bemærker Adrien Cavaillès, postdoc og korresponderende forfatter til papiret. "Da det udvider det tilgængelige distributionsområde, den sammenfiltringsbytteprotokol, der udføres af gruppen, er en afgørende evne til fremtidige store hybride kvantenetværk. "

Arbejdet rapporterede i Videnskab fremskridt er en stor bedrift i retning af sammenkobling af forskellige fysiske platforme. Imidlertid, forskerne understreger også, at "selvom evnen til at forbinde kvanteknuder af forskellig art nu er til stede, forbindelsen er i øjeblikket kun begrænset til optiske systemer, og skal udvides til mange andre fysiske platforme. "Et fuldt funktionelt heterogent kvantenetværk kræver stadig betydelige fremskridt inden for konstruktion og overførsel af sammenfiltring mellem forskellige stofsystemer.

Denne demonstration bygger på de tidligere fremskridt i Prof. Laurats gruppe i de seneste år, fra den første demonstration af hybrid sammenfiltring mellem partikellignende og bølgelignende qubits til konstruktionen af ​​hybridtilstande og deres anvendelse i kvanteinformationsprotokoller, enten til fjernstatsforberedelse eller sikkerhedscertificering.

De andre forfattere er Hanna Le Jeannic, en tidligere kandidatstuderende på LKB, Varun B. Verma og Sae Woo Nam, samarbejdspartnere hos NIST Boulder. Dette arbejde er blevet støttet af Det Europæiske Forskningsråd, det franske nationale forskningsagentur (projekt Hy-Light), Sorbonne Université og Région Ile-de-France inden for rammerne af DIM Sirteq.

Titlen på papiret er "Connecting Heterogeneous Quantum Networks by Hybrid Entanglement Swapping." Den er tilgængelig den 29. maj ^th online udgave af Videnskab fremskridt .