Kvanteffekter hjælper med at minimere kommunikationsfejl

Støj begrænser ydeevnen af ​​moderne kvanteteknologier. Imidlertid, partikler, der bevæger sig i en superposition af stier, kan omgå støj i kommunikation. Et samarbejde mellem universiteterne i Hong-Kong, Grenoble og Wien, samt det østrigske videnskabsakademi, under ledelse af Philip Walther, afslører nye teknikker til at reducere støj i kvantekommunikation. Resultaterne, offentliggjort i seneste nummer af Physical Review Research , demonstrere, at kvantepartikler, der bevæger sig i en superposition af stier, muliggør støjreduktion i kommunikation.

Blandt de mest aktive forskningsfelter i moderne fysik, både på akademisk niveau og videre, er kvanteberegning og kommunikation, som anvender kvantefænomener som superposition og sammenfiltring til at udføre beregninger, eller for at udveksle information. En række forskergrupper rundt om i verden har bygget kvanteenheder, der er i stand til at udføre beregninger hurtigere end nogen klassisk computer. Endnu, der er stadig et stykke vej, før disse enheder kan konverteres til salgbare kvantecomputere. En grund til dette er, at både kvanteberegning og kvantekommunikation er stærkt forringet af den lethed, hvormed en kvantesuperpositionstilstand kan ødelægges, eller sammenfiltring mellem to eller flere kvantepartikler kan gå tabt.

Den primære tilgang til at overvinde disse begrænsninger er anvendelsen af ​​såkaldte kvantefejlkorrigerende koder. Det her, imidlertid, kræver en mængde ressourcer, der overstiger, hvad der i øjeblikket kan opnås på en kontrolleret måde. Mens, i det lange løb, fejlkorrektion vil sandsynligvis blive en integreret del af fremtidige kvanteenheder, en komplementær tilgang er at afbøde støjen - dvs. den kumulative effekt af ukorrigerede fejl – uden at være afhængig af så mange ekstra ressourcer. Disse omtales som støjdæmpende ordninger.

Støjdæmpning uden yderligere ressourcer gennem simple kvanteskemaer

En ny tilgang langs denne forskningslinje blev for nylig foreslået for at reducere støj i en kommunikationsordning mellem to parter. Forestil dig to parter, der ønsker at kommunikere ved at udveksle en kvantepartikel, alligevel skal partiklen sendes over nogle defekte transmissionslinjer (afbildet i den kunstneriske illustration).

For nylig, et team af forskere ved Hong-Kong University foreslog, at en generel reduktion af støj kunne opnås ved at lede partiklen langs en kvantesuperposition af stier gennem støjområder i modsat rækkefølge. I særdeleshed, mens en partikel klassisk kun kan bevæge sig ad en sti, i kvantemekanik kan den bevæge sig ad flere stier på én gang. Hvis man bruger denne egenskab til at sende partiklen ad to kvantebaner, man kan, for eksempel, føre partiklen over de støjende områder i modsat rækkefølge samtidigt. Denne effekt var blevet påvist eksperimentelt af to uafhængige forskningsundersøgelser.

Disse resultater tydede på, at for at opnå denne støjreduktion, det er nødvendigt at placere de støjende transmissionslinjer i en kvantesuperposition af modsatte rækkefølger. Kort tid efter dette, forskningsgrupper i Wien og Grenoble indså, at denne effekt også kan opnås via enklere konfigurationer, hvilket endda helt kan eliminere støjen mellem de to parter.

Alle disse ordninger er nu blevet implementeret eksperimentelt og sammenlignet med hinanden af ​​et forskerhold ledet af Philip Walther ved universitetet i Wien. I dette arbejde, forskellige måder at passere gennem to støjende områder i kvantesuperposition sammenlignes for en række forskellige støjtyper. De eksperimentelle resultater understøttes også med numeriske simuleringer for at udvide undersøgelsen til mere generiske typer støj. Overraskende nok, det har vist sig, at de enkleste skemaer til kvantesuperposition af støjende kanaler også tilbyder den bedste reduktion af den støj, der påvirker kommunikationen.

"Fejlkorrektion i moderne kvanteteknologier er blandt de mest presserende behov for nuværende kvanteberegnings- og kommunikationssystemer. Vores arbejde viser, at, i det mindste i tilfælde af kvantekommunikation, allerede med de teknologier, der i øjeblikket er i brug, kan det være muligt at afhjælpe dette problem uden behov for yderligere ressourcer, " siger Giulia Rubino, første forfatter til publikationen i Physical Review Research . Letheden ved den demonstrerede teknik tillader øjeblikkelig brug i nuværende langdistancekommunikation, og lover potentielle yderligere anvendelser inden for kvanteberegning og kvantetermodynamik.