Quest for quantum Internet får et løft med ny teknik til sammenfiltring

Traditionelle måder at producere forviklinger på, nødvendig for udviklingen af ​​ethvert 'kvanteinternet', der forbinder kvantecomputere, er ikke særlig velegnede til fiberoptiske telekommunikationsnetværk, der bruges af nutidens ikke-kvante internet. Imidlertid, forskere er kommet med en ny måde at producere sådanne partikler, der er meget mere kompatible.

I dagens telekommunikationsnetværk, forbundet med fiberoptisk kabel, de foton, der transmitteres, har en tendens til at blive absorberet inden for få kilometer af det materiale, kablet er lavet af. For at undgå forringelse af signalet, repeatere etableres med jævne mellemrum for at forstærke det.

Lignende problemer vil ødelægge bestræbelser på kvantekommunikation - og i sidste ende et kvante -internet. Tomoyuki Horikiri og kolleger ved Yokohama National University tackler dette problem ved at udvikle en ny kilde til sammenfiltrede fotoner.

Deres resultater blev offentliggjort den 12. august i Kommunikationsfysik .

Et par partikler, eller qubits, bliver viklet ind, når kvantetilstanden for hver af dem uundgåeligt er forbundet med kvantetilstanden for den anden partikel. Derfor, en måling udført på den ene qubit vil altid være korreleret med en måling på den anden qubit, uanset afstanden.

Denne sammenfiltring, berømt beskrevet i pop-science forklaringer som 'uhyggelig handling på afstand, 'er nøglen til enhver fremtidig kvantekommunikationsinfrastruktur.

Udnytter dette uhyggelige fænomen, forskere kan bruge sammenfiltrede fotoner til at overføre oplysninger mellem to steder. Afsenderen har halvdelen af ​​de sammenfiltrede fotoner, og modtageren har den anden halvdel. De to brugere, for eksempel, kan etablere en tilfældig hemmelig bitstreng til kryptering ved den fælles sammenfiltring.

Men kvantekommunikation på lang afstand lider også under optiske fibertab, med sammenfiltrede fotoner, der bliver løsrevet på grund af interaktion med deres omgivelser, og kvante repeatere, hvor kvantehukommelser indlæses, ville være nødvendig for at forlænge afstanden til kvantekommunikation. Repeateren gemmer kvantetilstanden af ​​fotoner sendt af brugerne. En sammenfiltring 'bytte, 'udført ved en måling af fotoner, effektivt formerer forviklingen over meget længere afstande - som løbere, der afleverer batonger i et stafetløb.

En kvante -repeater fungerer via en gentagen udveksling af kvantetilstande mellem lys og stof. Dette kræver en kilde til sammenfiltrede partikler, der er kompatibel med kvantehukommelse. Desværre, kvantehukommelse absorberer generelt en smal bredde af en lysstråles spektrum (kendt som linewidth), men traditionelle kilder til et kvanteindviklet par fotoner har et bredt spektrum. Dette resulterer i en meget dårlig kobling mellem et sammenfiltret fotonpar og kvantehukommelsen.

Indtil nu, bestræbelser på at udvikle kilder til sammenfiltrede fotoner har kæmpet for at opfylde alle kravene til repeater-kvantehukommelseskompatibilitet og virkelige applikationer:et stort antal fotoner (for store mængder trafik), smal linjebredde, og høj entanglement -troskab.

I årtier, den mest almindelige måde at producere sammenfiltrede partikler på har været en teknik kaldet spontan parametrisk nedkonvertering, eller SPDC. Den bruger krystaller til at konvertere enkelte højenergifotoner til par af sammenfiltrede fotoner med halvdelen af ​​den oprindelige energi.

"Dette har været fantastisk til kvanteinformationseksperimenter, "sagde Horikiri." Men for bredbåndskvantekommunikation, SPDC er ikke særlig kompatibel med de meget snævre energiovergange, der er involveret i produktionen af ​​den kvantehukommelse, der er nødvendig for kvantereparater. "

Forskerne forbedrede denne teknik i virkeligheden ved at placere krystallen i en bowtie -formet optisk hulrum, og var i stand til med succes at formere sammenfiltrede fotoner over ti kilometer gennem optisk fiber, gentaget én gang for en samlet samlet distance på 20 kilometer.

I forlængelse af dette bevis på konceptet for en ny kilde til kvantelager-kompatible sammenfiltrede fotoner, der kan indsættes via fiberoptisk kabel med lave tab, forskerne vil nu implementere deres teknik via flere repeater -noder til meget længere afstande.