Verdens rekordforviklingslagring sætter en milepæl for Quantum Internet Alliance

Forskere fra Sorbonne Universitet i Paris har opnået en yderst effektiv overførsel af kvantesammenfiltring ind og ud af to kvantehukommelsesenheder. Denne præstation bringer en nøgleingrediens for skalerbarheden af ​​et fremtidigt kvanteinternet.

Et kvanteinternet, der forbinder flere steder, er et nøgletrin i kvanteteknologiske køreplaner verden over. I denne sammenhæng, European Quantum Flagship Program lancerede Quantum Internet Alliance i 2018. Dette konsortium koordineret af Stephanie Wehner (QuTech-Delft) består af 12 førende forskningsgrupper på universiteter fra otte europæiske lande, i tæt samarbejde med over 20 virksomheder og institutter. De kombinerede deres ressourcer og ekspertiseområder for at udvikle en plan for et fremtidigt kvanteinternet og de nødvendige teknologier.

Et kvanteinternet bruger et spændende kvantefænomen til at forbinde forskellige noder i et netværk sammen. I en normal netværksforbindelse, noder udveksler information ved at sende elektroner eller fotoner frem og tilbage, gør dem sårbare over for aflytning. I et kvantenetværk, knudepunkterne er forbundet ved sammenfiltring, Einsteins berømte "uhyggelige handling på afstand." Disse ikke-klassiske korrelationer på store afstande ville tillade ikke kun sikker kommunikation ud over direkte transmission, men også distribueret kvanteberegning eller forbedret sansning.

Imidlertid, en stor udfordring i at bygge kvantenetværk i stor skala er evnen til at generere sådanne korrelationer mellem fjerne knudepunkter. I princippet, denne udfordring kan overvindes, hvis sammenfiltring er pålideligt lagret i kvantehukommelsesenheder. Ved at opdele den lange afstand i flere kortere segmenter, det er muligt at skabe sammenfiltring mellem enderne af disse elementære led, og forbind dem derefter, indtil begge indledende noder er viklet ind. Kvantehukommelsesenhederne gemmer sammenfiltringen, sikre, at der er skabt sammenfiltring over alle segmenterne, før forbindelserne udføres. Denne protokol er kendt som en kvanterepeater.

En kritisk parameter er effektiviteten af ​​kvantehukommelsesenhederne:Hvis en enhed fejler i at optage eller hente det sammenfiltrede lys, kvanterepeateren kan ikke fungere korrekt. For eksempel, en stigning i effektiviteten til opbevaring og genfinding fra 60 % til 90 % reducerer drastisk den gennemsnitlige tid for sammenfiltringsfordeling over en afstand på 600 kilometer, typisk i to størrelsesordener. Et af målene for QIA-konsortiet er at lægge grunden til kvanterepeaterteknologi ved at bygge højeffektive hukommelsesenheder til sammenfiltring ved hjælp af forskellige fysiske platforme.

I onlineudgaven af ​​oktober 2020 af Optica , Prof. Julien Laurat og hans team ved Kastler Brossel Laboratory (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France) rapporterede om et længe ventet skridt for denne bestræbelse. De har demonstreret lagring og genfinding af sammenfiltrede lysstråler i to kvantehukommelsesenheder, med en samlet effektivitet så høj som 85 %. Denne værdi udgør mere end en tredobling i forhold til tidligere arbejder på området.

"Denne præstation er resultatet af 10 års eksperimentel udvikling i vores laboratorium. Det åbner nu vejen til yderligere undersøgelser, da mange potentielle netværksarkitekturer antager en sådan effektivitetsværdi for skalerbarhed, " siger Félix Hoffet, en ph.d. studerende ved LKB og en af ​​avisens førende forfattere.

Paris-eksperimentet involverede et meget aflangt ensemble af laserkølede cæsiumatomer og var baseret på protokollen kaldet elektromagnetisk induceret transparens. En kontrollaserstråle gør mediet gennemsigtigt og sænker det indfaldende signallys, der bærer informationen. Når signalet er indeholdt i ensemblet, og kontrolstrålen er slukket, informationen omdannes til en kollektiv excitation af atomerne, som gemmes indtil kontrolstrålerne tændes igen. Laurats team genererede først to lysstråler, der er viklet ind og kortlagde dem derefter til to minder efter denne protokol. Ved at bruge specifikke atomare overgange og nå en meget stor absorption i hver hukommelse, forskerne var i stand til at skrive og læse forviklingen med hidtil uset effektivitet, samtidig med at en meget lav støjforurening bevares.

"Vores rekordeffektivitet krævede først en stærk teoretisk indsats for bedre at forstå de begrænsende faktorer i vores tidligere implementering og derefter en eksperimentel tour-de-force for at kombinere alle de nødvendige ingredienser sammen, " tilføjer Mingtao Cao, en tidligere Marie Curie postdoc og den anden førende forfatter af papiret. Alexandra Sheremet, en tidligere Marie Curie Fellow og også en forfatter af papiret, spillet en nøglerolle i at simulere hele processen og tage højde for kompleksiteten af ​​flere energiniveauer i dette atomsystem.

Arbejdet rapporterede i Optica er et springbræt for yderligere undersøgelser. Imidlertid, vejen til at bygge store netværk er stadig brolagt med udfordringer. For eksempel, effektive kvantehukommelsesenheder skal også have lange lagringstider for at skabe sammenfiltring hurtigere, end den går tabt. Denne kritiske funktion kan også komme med muligheden for at gemme forskellige oplysninger parallelt. QIA-konsortiet tackler disse forskellige aspekter, både teoretisk og eksperimentelt. Prof. Laurats team i Paris fokuserer for eksempel på udviklingen af ​​"spatialt multipleksede" hukommelser, der kan lagre flere tilstande på samme tid for at parallelisere kvanteforbindelser.