Fysikere udvikler et effektivt modem til et fremtidigt kvanteinternet

Den første kvanterevolution medførte halvlederelektronik, laseren og endelig internettet. Den kommende, anden kvanterevolution lover spionsikker kommunikation, ekstremt præcise kvantesensorer og kvantecomputere til tidligere uløselige computeropgaver. Men denne revolution er stadig i sin vorden. Et centralt forskningsobjekt er grænsefladen mellem lokale kvanteenheder og lyskvanter, der muliggør fjerntransmission af meget følsom kvanteinformation. Otto-Hahn-gruppen "Quantum Networks" ved Max-Planck-Institute of Quantum Optics i Garching forsker i sådan et "kvantemodem". Teamet har nu opnået et første gennembrud i en relativt enkel, men yderst effektiv teknologi, der kan integreres i eksisterende fiberoptiske netværk. Værket udgives i denne uge i Fysisk gennemgang X .

Corona-pandemien er en daglig påmindelse om, hvor vigtigt internettet er blevet. World Wide Web, engang et biprodukt af fysisk grundforskning, har radikalt ændret vores kultur. Kunne et kvanteinternet blive den næste store innovation ud af fysikken?

Det er stadig for tidligt at besvare det spørgsmål, men grundforskning arbejder allerede på kvanteinternettet. Mange applikationer vil være mere specialiserede og mindre sensuelle end videokonferencer, men vigtigheden af ​​absolut spion-sikker langdistancekommunikation er forståelig for alle. "I fremtiden, et kvanteinternet kunne bruges til at forbinde kvantecomputere, der er placeret forskellige steder, Andreas Reiserer siger, "hvilket ville øge deres computerkraft betydeligt!" Fysikeren leder den uafhængige Otto-Hahn-forskningsgruppe "Quantum Networks" ved Max-Planck-Institute of Quantum Optics i Garching.

Et kvanteinternet handler således i bund og grund om det globale netværk af nye teknologier, der gør en meget mere konsekvent brug af kvantefysikken end nogensinde før. Imidlertid, dette kræver passende grænseflader til den ekstremt følsomme kvanteinformation. Dette er en enorm teknisk udfordring, derfor er sådanne grænseflader et centralt fokus for grundforskning. De skal sikre, at stationære kvantebits - for korte qubits - interagerer effektivt med "flyvende" qubits til langdistancekommunikation uden at ødelægge kvanteinformationen. Stationære qubits vil blive placeret i lokale enheder, for eksempel som hukommelse eller processor i en kvantecomputer. Flyvende qubits er typisk lette kvanter, fotoner, der transporterer kvanteinformationen gennem luften, et vakuum i rummet eller gennem fiberoptiske netværk.

Delikat forbindelse mellem kvantebits

"Kvantemodemet" er designet til effektivt at etablere en forbindelse mellem flyvende og stationære qubits. Til dette formål, holdet omkring ph.d.-studerende Benjamin Merkel har udviklet en ny teknologi og har netop demonstreret dens grundlæggende funktionalitet. Dens afgørende fordel er, at den kan integreres i det eksisterende fiberoptiske telenet. Dette ville være den hurtigste måde at fremme et fungerende fjerntliggende netværk af kvanteteknologier på.

For at dette system fungerer de fotoner, der sendes eller modtages af modemet som kvanteinformationsbærere, skal tilpasses præcist til den infrarøde bølgelængde af laserlyset, der bruges til telekommunikation. Det betyder, at modemmet skal have qubits i hvile, der kan reagere præcist på disse infrarøde fotoner med et kvantespring. Kun på denne måde kan den følsomme kvanteinformation transmitteres direkte mellem qubits i hvile og de flyvende qubits.

Omfattende forskning fra den Garching-baserede gruppe viste, at grundstoffet erbium er bedst egnet til dette formål. Dens elektroner kan udføre et perfekt matchende kvantespring. Desværre, erbium-atomerne er meget tilbageholdende med at tage dette kvantespring. Derfor, de skal fikseres i et miljø, der tvinger dem til at reagere hurtigere. For at løse dette problem, erbiumatomerne og de infrarøde fotoner er låst inde i et passende rum så længe som muligt. "Du kan tænke på det som en fest, som skal stimulere den bedst mulige kommunikation mellem, Lad os sige, ti gæster, " Reiserer forklarer. Størrelsen af ​​rummet er afgørende her. "På et fodboldstadion ville gæsterne fare vild, en telefonboks til gengæld ville være for lille, "Fysikeren fortsætter, "men en stue ville klare sig fint."

Festen, imidlertid, ville hurtigt være forbi, fordi fotonerne rejser med lysets hastighed og derfor er meget flygtige og altid fristet til at forlade. Dette er grunden til, at Garching kvantemodem bruger et lille spejlskab som "stue" dertil, holdet pakkede atomerne ind i en gennemsigtig krystal lavet af en yttriumsilikatforbindelse, som er fem gange tyndere end et menneskehår. Denne krystal, på tur, er placeret som en sandwich fordelt mellem to næsten perfekte spejle. For at eliminere varmesvingningen af ​​atomerne, som er ødelæggende for kvanteinformation, hele ensemblet afkøles til minus 271 °C.

Foton ping-pong i spejlskabet

Fotonerne, der er fanget mellem spejlene, reflekteres frem og tilbage gennem krystallen som pingpongkugler. De passerer erbium-atomerne så ofte, så atomerne har tid nok til at reagere med et kvantespring. Sammenlignet med en situation uden spejlskab, dette sker meget mere effektivt og næsten tres gange hurtigere. Siden spejlene, på trods af deres perfektion, er også let permeable for fotonerne, modemmet kan oprette forbindelse til netværket.

"Vi er meget glade for denne succes, " siger Reiserer. Som et næste skridt, han ønsker at forbedre eksperimentet, således at individuelle erbium-atomer kan adresseres som qubits via laserlys. Dette er ikke kun et vigtigt skridt hen imod et brugbart kvantemodem. Erbium-atomer som qubits i en krystal kan endda tjene direkte som en kvanteprocessor, som er den centrale del af en kvantecomputer. Dette ville gøre modemet let kompatibelt med sådanne kvanteterminaler.

Med sådan en elegant løsning, relativt enkelt konstruerede "kvante -repeatere" ville også blive mulig. Hver hundrede kilometer, enhederne skulle kompensere for de stigende tab af kvanteinformation, der transporteres af fotoner i det fiberoptiske netværk. Sådanne "kvanterepeatere" er også i fokus for international forskning. "Selvom en sådan enhed baseret på vores teknologi ville koste omkring hundrede tusinde euro, udbredt brug ville ikke være urealistisk, " siger Reiserer.

Kvantemodemet Garching er stadig rent fundamental forskning. Men det har potentialet til at fremme den tekniske realisering af et kvanteinternet.