Strømlining af kvanteinformationstransmission

Kvanteriget har nøglen til den næste revolution inden for kommunikationsteknologi, som vi kender den. Med løftet om hidtil uset ydeevne og uigennemtrængelig sikkerhed, kvanteteknologien tager sine første skridt mod det ultimative mål med applikationer såsom stærkt krypterede, men næsten hurtige finansielle transaktioner. Imidlertid, kvantecomputeres evne til at kommunikere med hinanden er blevet begrænset af de ressourcer, der kræves til sådanne udvekslinger, begrænse mængden af ​​information, der kan handles, samt hvor lang tid den kan opbevares.

Forskere baseret i Japan har taget et stort skridt i retning af at løse disse ressourcebegrænsninger. De offentliggjorde deres resultater den 27. maj i Fysisk gennemgangsbreve .

"For at forbinde eksterne kvantecomputere sammen, vi har brug for kapaciteten til at udføre kvantemekaniske operationer mellem dem over meget lange afstande, alt imens de bevarer deres vigtige kvantesammenhæng, " sagde professor Kae Nemoto, papirforfatter og direktør for Global Research Center for Quantum Information Science ved National Institute of Informatics (NII) i Japan.

"Imidlertid, interessant nok, mens kvantecomputere er dukket op i lille skala, kvantekommunikationsteknologi er stadig på enhedsniveau og er ikke blevet integreret sammen for at realisere kommunikationssystemer. I dette arbejde, vi viser en rute frem."

Kvanteinformation kræver beskyttelse mod den betydelige mængde støj, der omgiver den, samt tendensen til, at information går tabt fra den indledende besked. Denne beskyttelsesproces kaldes kvantefejlkorrektion, som vikler et stykke information ind over mange qubits, den mest basale enhed af kvanteinformation. Forestil dig et brev revet i ni stykker, hver anbragt i en konvolut, med hver konvolut sendt til samme destination for at blive samlet og læst igen. I kvanteverdenen, kuverterne sendes via fotoner, og der er nok information i hver konvolut til at genskabe hele brevet, hvis nogen af ​​kuverterne går tabt eller bliver ødelagt.

"Overhead for at beskytte kvanteinformation mod støj og tab vil være stort, og størrelsen af ​​de nødvendige enheder til at realisere dette vil forårsage alvorlige problemer, som vi er begyndt at se i dagens kvantecomputerudvikling, " sagde Nemoto. "Da bestræbelserne på at realisere kvanteinternettet foregår over hele verden, det er vigtigt at tænke på det som et system, og ikke simple enheder."

Nemoto og hendes team behandlede dette problem ved hjælp af en proces kaldet kvantemultipleksing, hvor de ikke kun reducerede støj, men også antallet af ressourcer, der er nødvendige for at overføre information. Ved multipleksing, informationen indeholdt i to separate fotoner kombineres til én foton, som to konvolutter, der sendes i en portefølje, så oplysningerne er stadig individuelt beskyttet, men der kræves kun ét stempel til transport.

"I dette system, kvantefejlkorrektion vil spille en væsentlig rolle, ikke kun for at beskytte den transmitterede kvanteinformation, men også for betydeligt at reducere de nødvendige ressourcer til at udføre de opgaver, man har brug for, " sagde papirets medforfatter William J. Munro, en forsker ved NTTs Grundforskningslaboratorier. "Kvantemultipleksing muliggør betydelig ressourcereduktion uden at kræve, at ny teknologi udvikles til sådanne kvantekommunikationsenheder."

Forskerne udvider i øjeblikket deres arbejde til storskala kvantekomplekse netværksscenarier.

"Kvanterevolutionen har gjort det muligt for os at designe og skabe nye teknologier, der tidligere var anset umulige i vores klassiske verden, " sagde Nemoto. "Småskala kvantecomputere har allerede vist computerydeevne bedre end nutidens største supercomputere. Imidlertid, mange andre former for kvanteteknologi er ved at dukke op, og en af ​​de mest dybtgående kunne være kvanteinternettet – en kvanteaktiveret version af nutidens internet – som vil give os mulighed for at netværke enheder sammen, inklusive kvantecomputere."

Næste, forskerne vil bygge videre på de første skridt, de allerede har taget for at øge både mængden af ​​information og lagringstiden.