Når hukommelse qubits og fotoner bliver viklet ind

Kryptering af data på en måde, der sikrer sikker kommunikation, er en stadig større udfordring, fordi afgørende komponenter i nutidens krypteringssystemer ikke kan modstå fremtidige kvantecomputere. Forskere rundt om i verden arbejder derfor på teknologier til nye krypteringsmetoder, der også er baseret på kvanteeffekter. Fænomenet såkaldt kvanteindvikling spiller en særlig vigtig rolle her. Det betyder, at i et kvante netværk, netværkets stationære qubits er viklet ind i kommunikationskanalen, som normalt består af fotoner (lyspartikler). For første gang, fysikere ved universitetet i Bonn har nu kunnet påvise kvanteforvikling mellem en stationær qubit, dvs. et to-staters kvantesystem, og en foton med direkte kobling til en optisk fiber. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet npj Quantum Information .

Kvantesystemer stammer fra en verden af ​​partikler og de mindste strukturer og kan være relevante for fremtidige teknologier. Hvis forskellige kvanteinformationsbærere (kvanteknuder) er forbundet med kvantekanaler, forskere taler om kvante netværk. Siden 2009 har forskere ved universitetet i Bonn har arbejdet på realiseringen af ​​en kvante netværksknude, hvor en enkelt ion som en hukommelseskvbit er koblet til en optisk resonator som et lysstof-interface.

Imidlertid, til distribution af kvanteinformation i et netværk, de stationære qubits i netværket skal vikles ind i kommunikationskanalen. Den fysiske årsag er, at en kvantetilstand ikke kan kopieres og transmitteres på en klassisk måde. Fotoner bruges typisk som kommunikationskanal, som er vanskelige at gemme, men giver mulighed for hurtig informationsoverførsel. "Implementeringen af ​​effektive grænseflader mellem fotoner og stationære qubits er derfor afgørende for informationsoverførselshastigheden og skalerbarheden af ​​et kvantenetværk, "forklarer første forfatter Pascal Kobel, en ph.d. studerende i forskningsgruppen Experimental Quantum Physics ved University of Bonn.

Implementering af et light -matter interface

I deres eksperimentelle setup, forskerne implementerede en særlig grænseflade mellem lys og stof. Til denne ende, de brugte en optisk resonator bestående af to modsatrettede spejle realiseret på enden af ​​to optiske fibre. Til de konkave spejle, de ablerede en del af den optiske fiber med en laserpuls og fik efterfølgende de optiske fiberender belagt med en reflekterende belægning. Fiberdiameteren på 150 mikrometer var nogenlunde i størrelsesordenen et hår (ca. 60 mikrometer).

"Konstruktionen og kombinationen af ​​en sådan resonator med en enkelt ion er eksperimentelt udfordrende. Fibre og ion skal placeres med en relativ nøjagtighed på omkring en mikrometer til hinanden, "siger medforfatter Moritz Breyer, også fysiker i forskningsgruppen ledet af professor Dr. Michael Köhl ved universitetet i Bonn. Imidlertid, den lille resonator volumen øger lys-stof interaktion, som muliggør høje båndbredder til distribution af kvanteinformation i et netværk. En anden fordel er, at fiberresonatoren fører til såkaldt iboende kobling af fotoner til optiske fibre. Dette forenkler i høj grad deres distribution i et netværk.

Med deres eksperimentelle opsætning, det lykkedes forskerne for første gang at demonstrere kvanteforvikling mellem en stationær qubit og en foton ud af en optisk fiberresonator. De observerede, at selv i en og en halv meters afstand, enkeltionen og foton delte en fælles sammenfiltret kvantetilstand. "Vores præsenterede system er velegnet som en knude i kvantenetværk, "understreger studieleder prof. dr. Michael Köhl, medlem af Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence ved Universiteterne i Bonn, Köln og Aachen og Forschungszentrum Jülich og i det tværfaglige forskningsområde "Byggeklodser for materie og grundlæggende interaktioner." Netværket samler forskere fra forskellige discipliner til at arbejde sammen om fremtidige relevante spørgsmål ved University of Excellence Bonn.

Resultaterne af undersøgelsen kan være relevante for såkaldt distribueret quantum computing eller beviseligt sikker kommunikation. I fremtidige undersøgelser, forskerne planlægger at videreudvikle deres system ved, for eksempel, forbedre stabiliteten af ​​lys-stof-grænsefladen og bruge opsætningen til distribution af kvantetaster.