Forskere realiserer kvantekommunikation milepæl ved hjælp af lys

Få udtryk er mere allestedsnærværende på den videnskabelige arena i disse dage end "kvante".

Teknologier baseret på kvantemekanikkens notorisk vanskelige love lover at gøre computere meget mere kraftfulde end nutidens hurtigste supercomputere, uhackbar sikker kommunikation og hidtil usete sansefunktioner, der er nødvendige for yderligere videnskabelig opdagelse.

Men for at disse teknologier skal se dagens lys, forskere skal udvikle effektive kvantekommunikationsnetværk, der forbinder kvanteenheder og samtidig bevare de sarte tilstande af de partikler, der bruges til at transmittere information.

Et team af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, sammen med kolleger på Purdue University, har taget et vigtigt skridt mod dette mål ved at udnytte frekvensen, eller farve, af lys. Sådanne kapaciteter kan bidrage til mere praktiske og store kvantennetværk eksponentielt mere kraftfulde og sikre end de klassiske netværk, vi har i dag.

Specifikt, holdet udnytter lysets egenskaber og kvantemekanikkens principper til at overføre information, gør netværket selv til en fotonisk kvanteinformationsprocessor. Denne tilgang er lovende af flere grunde.

Til at begynde med, fotoner rejser med lysets hastighed, så informationen kan komme fra punkt A til punkt B så hurtigt som muligt. Fotoner interagerer generelt ikke med hinanden eller det omgivende miljø, sikre, at oplysningerne ikke bliver krypteret eller bliver ødelagt under transporten. "Lys er virkelig den eneste levedygtige mulighed for kvantekommunikation over lange afstande, "sagde projektleder Joseph Lukens, en ORNL-forsker, Wigner Fellow og DOE Early Career Award vinder, der hjalp med at detaljere teamets resultater i Fysiske anmeldelsesbreve .

Holdet brugte lys til at producere frekvens-bin qubits, eller enkelte fotoner, der befinder sig i to forskellige frekvenser samtidigt, at demonstrere fuldt vilkårlige kommunikationsoperationer i frekvenskodning for første gang. Mens frekvenskodning og sammenfiltring forekommer i mange systemer og naturligt er kompatible med fiberoptik, at bruge disse fænomener til at udføre datamanipulation og behandlingsoperationer har traditionelt vist sig vanskeligt. Sådanne operationer, imidlertid, er nødvendige for grundlæggende netværksfunktioner i kvantekommunikation og, i forlængelse heraf, realiseringen af ​​en bred vifte af kvanteteknologier.

Ved at bruge en teknologi udviklet hos ORNL kendt som en kvantefrekvensprocessor, forskerne demonstrerede bredt anvendelige kvanteporte, eller de logiske operationer, der er nødvendige for at udføre kvantekommunikationsprotokoller. I disse protokoller, forskere skal være i stand til at manipulere fotoner på en brugerdefineret måde, ofte som reaktion på målinger udført på partikler andre steder i netværket. Mens de traditionelle operationer, der anvendes i klassiske computere og kommunikationsteknologier, såsom OG og ELLER, operere på digitale nuller og enere individuelt, kvanteporte fungerer på samtidige superpositioner af nuller og enere, holde kvanteinformationen beskyttet, når den passerer igennem, et fænomen, der kræves for at realisere ægte kvantenetværk.

Ved at bevise, at deres konfiguration kunne transformere enhver qubit-tilstand til en anden qubit-tilstand, holdet demonstrerede praktisk informationsoverførsel. "Hvis du kan udføre vilkårlige operationer, du kan udføre en hvilken som helst af de grundlæggende kvantekommunikationsprotokoller såsom routing baseret på frekvenskonvertering, sagde Lukens.

Deres er et af mange forskellige systemer, men blandt de mest lovende resultaterne taget i betragtning. Som et eksempel, holdet demonstrerede med succes op mod 98 % troskab – et kvantitativt mål for nøjagtighed – ved hjælp af deres brugerdefinerede konfiguration.

Mens frekvens-bin kvantenetværk har været historisk vanskeligt at kontrollere, teamets værktøjskasse, Lukens sagde, gør det meget mere kontrollerbart. Ikke kun det, det er et naturligt produceret system, der oversættes godt til eksisterende fiberoptik. Faktisk, systemet blev udtænkt ved hjælp af klassiske telekomkomponenter, såsom fasemodulatorer. Disse faktorer gør teknologien billigere og mere attraktiv for industrier, der ønsker at anvende den. Desuden, denne dominoeffekt fremmer både klassisk og kvantekommunikation samtidigt, dermed fremme holdets metoder og muligvis bringe storskala kvantenetværk et skridt tættere på virkeligheden.

Deres næste eksperiment vil involvere implementering af deres system på et fotonisk integreret kredsløb. "Der er masser af uforudsete applikationer, " sagde Lukens. "Frekvenskodning produceres naturligt af mange forskellige systemer, og det er meget velegnet til optisk fiber, så det potentielle anvendelsesområde bør være bredt."