Sammenfiltrede kvantehukommelser til en kvanterepeater:Et skridt tættere på Quantum Internet

I løbet af 90'erne, ingeniører gjorde store fremskridt på teleområdet og spredte netværket til afstande ud over byer og storbyområder. For at opnå denne skalerbarhedsfaktor, de brugte repeatere, som forbedrede dæmpede signaler og tillod disse at rejse længere afstande med de samme funktioner såsom intensitet eller troskab. Nu, med tilføjelse af satellitter, det er helt normalt at være midt på et bjerg i Europa og tale med dine kære, der bor i den anden del af verden.

På vejen mod at bygge fremtidens kvanteinternet, kvantehukommelser spiller samme rolle. Sammen med kilder til qubits, de er byggestenene i dette nye internet, fungerer som kvanterepeatere af dataoperationer og bruger superposition og sammenfiltring som de vigtigste ingredienser i systemet. Men at drive et sådant system på et kvanteniveau, sammenfiltringen mellem kvantehukommelser skulle skabes over lange afstande og vedligeholdes så effektivt som muligt.

Alt sammen i ét

I en nylig offentliggjort undersøgelse i Natur , ICFO-forskere Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri og Jelena Rakonjac, ledet af ICREA Prof ved ICFO, Hugues de Riedmatten, har opnået skalerbar, telekom-bebudet stof-stof sammenfiltring mellem to fjerntliggende, multimode og solid-state kvantehukommelser. Med enklere ord, de var i stand til at opbevare, i maksimalt 25 mikrosekunder, en enkelt foton i to kvantehukommelser placeret 10 meter fra hinanden.

Forskerne vidste, at fotonen var i en af ​​de to minder, men de vidste ikke i hvilken, som understregede denne kontraintuitive forestilling om naturen, som vi har, som tillader fotonen at være i en kvantesuperpositionstilstand i de to kvantehukommelser på samme tid, men utroligt, 10 meter fra hinanden. Holdet vidste også, at sammenfiltringen blev skabt med detektering af en foton ved telekommunikationsbølgelængde, og det blev lagret i kvantehukommelserne på en multiplekseret måde, "en funktion, der ligner at tillade flere beskeder at blive sendt på samme tid i en klassisk kanal." Disse to nøglefunktioner er blevet opnået sammen for første gang og definerer springbrættet i at udvide denne ordning til meget længere afstande.

Som Dario Lago, en ph.d. studerende ved ICFO og førsteforfatter af undersøgelsen, peger entusiastisk "Indtil videre, flere af milepælene opnået i dette eksperiment blev udført af andre grupper, som at sammenfiltre kvantehukommelser eller opnå lagring af fotonerne i kvantehukommelser med en meget høj effektivitet og høje hastigheder. Men, Det unikke ved dette eksperiment er, at vores teknikker opnåede meget høje hastigheder og kan udvides til længere afstande."

Opsætning af eksperimentet

At nå dette vartegn tog sin indsats og tid. I løbet af flere måneder, holdet opretter eksperimentet, hvor de brugte en sjælden jordart dopet krystal som en kvantehukommelse til grundlaget for deres test.

Derefter, de tog to kilder, der genererede korrelerede par af enkelte fotoner. I hvert par, en foton, navngivet ledig, er på en 1436nm (telebølgelængde), og den anden, navngivet signal, har en bølgelængde på 606nm. Enkeltsignalfotoner, blev sendt til en kvantehukommelse, består af millioner af atomer alle tilfældigt placeret inde i en krystal, og lagret der via en protokol kaldet atomic frequency comb. Langs med, de ledige fotoner, også kaldet heralderende eller budbringerfotoner, blev sendt gennem en optisk fiber til en enhed kaldet beam-splitter, hvor oplysningerne om deres oprindelse og vej blev fuldstændig slettet. Samuele Grandi, postdoc-forsker og medførsteforfatter til undersøgelsen, kommentarer, "Vi slettede enhver form for funktion, der ville fortælle os, hvor de ledige fotoner kom fra, lad det være kilde 1 eller 2, og vi gjorde dette, fordi vi ikke ønskede at vide nogen information om signalfotonen og i hvilken kvantehukommelse den blev gemt i." Ved at slette disse funktioner, signalfotonen kunne have været lagret i en hvilken som helst af kvantehukommelserne, hvilket betyder, at der blev skabt sammenfiltring mellem dem.

Hver gang forskerne så på skærmen et klik af en tomgangsfoton, der ankom til detektoren, de var i stand til at bekræfte og verificere, at der var faktisk, sammenfiltring. Denne sammenfiltring bestod i en signalfoton i en superpositionstilstand mellem de to kvantehukommelser, hvor det blev lagret som en excitation delt af titusinder af atomer i op til 25 mikrosekunder.

Som Sam og Dario nævner, "Det mærkelige ved eksperimentet er, at det ikke er muligt at vide, om fotonen var lagret i kvantehukommelsen i lab 1 eller i Lab 2, som var mere end 10 meter væk. Selvom dette var hovedtræk ved vores eksperiment, og en som vi havde forventet, resultaterne i laboratoriet var stadig kontraintuitive, og endnu mere ejendommeligt og forbløffende for os er, at vi var i stand til at kontrollere det!"

Betydningen af ​​bebudede fotoner

De fleste af de tidligere undersøgelser, der har eksperimenteret med sammenfiltring og kvantehukommelser, brugte heraldfotoner til at vide, om sammenfiltringen mellem kvantehukommelser havde været vellykket eller ej. En bebudende foton er som en budbringerdue, og videnskabsmændene kan vide, når de ankommer, at sammenfiltringen mellem kvantehukommelserne er blevet etableret. Når dette sker, sammenfiltringsforsøgene stopper, og sammenfiltringen lagres i hukommelserne, inden den analyseres.

I dette eksperiment, videnskabsmændene brugte en bebudende foton i telekommunikationsfrekvensen, bekræfter, at den sammenfiltring, der produceres, kunne etableres med en foton, der er kompatibel med eksisterende telenetværk, en vigtig bedrift, da den gør det muligt at skabe sammenfiltring over lange afstande og, endnu mere, gør det muligt for disse kvanteteknologier nemt at blive integreret i de eksisterende klassiske netværksinfrastrukturer.

Multiplexing er nøglen

Multiplexing er et systems evne til at sende flere beskeder på samme tid gennem kun én transmissionskanal. I klassisk telekommunikation, dette er et hyppigt værktøj, der bruges til at overføre data over internettet. I kvanterepeatere, sådan teknik er lidt mere kompleks. Med standard kvantehukommelser, man må vente på, at beskeden, der varsler forviklingen, vender tilbage til minderne, før man igen kan prøve at skabe sammenfiltring. Men med brugen af ​​atomfrekvenskammens protokol, som tillader denne multiplekse tilgang, forskerne var i stand til at lagre de sammenfiltrede fotoner på mange forskellige tidspunkter i kvantehukommelsen, uden at skulle vente på en vellykket indvarslingsbegivenhed, før du genererer det næste sammenfiltrede par. denne betingelse, kaldet "temporal multipleksing, "er en nøglefunktion, der repræsenterer en væsentlig forøgelse af systemets driftstid, fører til en stigning i den endelige sammenfiltringshastighed.

Fremtidige skridt

Som prof. ICREA ved ICFO Hugues de Riedmatten entusiastisk siger, "Denne idé blev udtænkt for mere end 10 år siden, og jeg er begejstret for at se, at den nu er lykkedes i laboratoriet. De næste skridt er at bringe eksperimentet uden for laboratoriet, at prøve at forbinde forskellige noder sammen og fordele sammenfiltring over meget større afstande, ud over hvad vi har nu. Faktisk, vi er midt i at opnå den første kvanteforbindelse på 35 km, som vil blive gjort mellem Barcelona og ICFO, i Castelldefels."

Det er klart, at det fremtidige kvantenetværk vil bringe mange applikationer i den nærmeste fremtid. Dette opnåede skelsættende beviser og bekræfter, at vi er på rette vej mod at udvikle disse forstyrrende teknologier og begynde at implementere dem i, hvad der vil være en ny måde at kommunikere på, Quantum Internet.