Nye teknikker forbedrer kvantekommunikation, indvikle fononer

Kvantekommunikation - hvor information sendes gennem partikler, typisk sammenfiltrede fotoner – har potentialet til at blive den ultimative sikre kommunikationskanal. Ikke alene er det næsten umuligt at aflytte kvantekommunikation, de, der forsøger, vil også efterlade beviser på deres indiskretioner.

Imidlertid, sende kvanteinformation via fotoner over traditionelle kanaler, såsom fiberoptiske linjer, er svært:fotonerne, der bærer informationen, er ofte beskadiget eller tabt, gør signalerne svage eller usammenhængende. Ofte skal en besked sendes flere gange for at sikre, at den gik igennem.

I et nyt papir, videnskabsmænd med Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago har demonstreret en ny kvantekommunikationsteknik, der helt omgår disse kanaler. Ved at forbinde to kommunikationsknuder med en kanal, de viser, at denne nye teknik kan sende information kvantemekanisk mellem knuderne – uden nogensinde at optage forbindelseskanalen.

Forskningen, ledet af prof. Andrew Cleland og offentliggjort 17. juni i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , udnytter det uhyggelige kvantefænomen med sammenfiltring mellem de to noder og viser en potentiel ny retning for fremtiden for kvantekommunikation.

Forskningen slutter sig til et andet nyligt offentliggjort papir, hvor Clelands gruppe sammenfiltrede to fononer - lydens kvantepartikler - for første gang, åbne døren til potentielle nye teknologier.

"Begge papirer repræsenterer en ny måde at nærme sig kvanteteknologi på, " sagde Cleland, John A. MacLean Sr. professor i molekylær teknik ved Pritzker Molecular Engineering og seniorforsker ved Argonne National Laboratory. "Vi er spændte på, hvad disse resultater kan betyde for fremtiden for kvantekommunikation og solid-state kvantesystemer."

Spøgelsesagtig kvantekommunikation

Sammenfiltrede fotoner og fononer trodser intuition:disse partikler kan være kvantemekanisk sammenfiltrede, en sammenfiltring, der kan overleve over store afstande. En ændring i en partikel fremkalder så uhyggeligt en ændring i den anden. Kvantekommunikation udnytter dette fænomen ved at indkode information i partiklerne.

Cleland ønskede at finde en metode til at sende kvanteinformation uden at miste den i transmissionen. Han og hans hold, inklusive PME-kandidatstuderende Hung-Shen Chang, udviklet et system, der sammenfiltrede to kommunikationsknuder ved hjælp af mikrobølgefotoner - de samme fotoner, der bruges i din mobiltelefon - gennem et mikrobølgekabel. Til dette eksperiment, de brugte et mikrobølgekabel omkring en meter langt. Ved at tænde og slukke for systemet på en kontrolleret måde, de var i stand til at kvantefiltrere de to noder og sende information mellem dem – uden nogensinde at skulle sende fotoner gennem kablet.

"Vi overførte information over et kabel på en meter uden at sende nogen fotoner for at gøre dette, en ret uhyggelig og usædvanlig præstation, " sagde Cleland. "I princippet, dette ville også fungere over en meget længere afstand. Det ville være meget hurtigere og mere effektivt end systemer, der sender fotoner gennem fiberoptiske kanaler."

Selvom systemet har begrænsninger - skal det holdes meget koldt, ved temperaturer et par grader over det absolutte nulpunkt - det kunne potentielt fungere ved stuetemperatur med atomer i stedet for fotoner. Men Clelands system giver mere kontrol, og han og hans team udfører eksperimenter, der ville vikle flere fotoner sammen i en mere kompliceret tilstand.

Sammenfiltring af fononer med samme teknik

Sammenfiltrede partikler er ikke kun begrænset til fotoner eller atomer, imidlertid. I et andet papir offentliggjort 12. juni i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , Cleland og hans team sammenfiltrede to fononer - lydens kvantepartikel - for første gang nogensinde.

Ved at bruge et system bygget til at kommunikere med fononer, ligner foton-kvantekommunikationssystemet, holdet, herunder tidligere postdoc Audrey Bienfait, sammenfiltrede to mikrobølgefononer (som har omkring en million gange højere tonehøjde, end det kan høres med det menneskelige øre).

Når fononerne var viklet ind, holdet brugte en af ​​fononerne som en "herald, ", som blev brugt til at påvirke, hvordan deres kvantesystem brugte den anden fonon. Heralden tillod holdet at udføre et såkaldt "kvanteviskereksperiment", hvor information slettes fra en måling, også efter at målingen er afsluttet.

Selvom fononer har mange ulemper i forhold til fotoner - f.eks. de har tendens til at være kortere - de interagerer stærkt med en række faststof-kvantesystemer, der muligvis ikke interagerer stærkt med fotoner. Phonons kunne give en bedre måde at koble til disse systemer

"Det åbner et nyt vindue i, hvad du kan gøre med kvantesystemer, måske ligner den måde gravitationsbølgedetektorer på, der også bruger mekanisk bevægelse, har åbnet et nyt teleskop på universet, " sagde Cleland.