Forskere indser kvanteteleportering på mekanisk bevægelse af siliciumstråler

Kvanteteknologi anvender typisk qubits (kvantebit) bestående af, for eksempel, enkelte elektroner, fotoner eller atomer. En gruppe TU Delft-forskere har nu demonstreret evnen til at teleportere en vilkårlig qubit-tilstand fra en enkelt foton til en optomekanisk enhed - bestående af en mekanisk struktur bestående af milliarder af atomer. Deres banebrydende forskning, nu udgivet i Naturfotonik , gør det muligt for applikationer i den virkelige verden, såsom kvanteinternet-repeaterknuder, samtidig med at kvantemekanikken i sig selv kan studeres på nye måder.

Kvanteoptomekanik

Kvanteoptomekanikkens felt bruger optiske midler til at kontrollere mekanisk bevægelse i kvanteregimet. De første kvanteeffekter i mekaniske anordninger i mikroskala blev demonstreret for omkring ti år siden. Fokuserede indsatser har siden resulteret i sammenfiltrede tilstande mellem optomekaniske enheder samt demonstrationer af en optomekanisk kvantehukommelse. Nu, gruppen af ​​Simon Gröblacher, fra Kavli Institute of Nanoscience og Department of Quantum Nanoscience ved Delft University of Technology, i samarbejde med forskere fra University of Campinas i Brasilien, har vist den første vellykkede teleportering af en vilkårlig optisk qubit-tilstand på en mikromekanisk kvantehukommelse.

Repeater noder til et kvanteinternet

Kvanteteleportering - den trofaste overførsel af en ukendt inputkvantetilstand til et fjerntliggende kvantesystem - er en nøglekomponent i langdistancekvantekommunikationsprotokoller, der er nødvendige for at bygge et kvanteinternet. Ligesom det almindelige internet, distribution af kvanteinformation mellem kvanteenheder overalt i verden vil kræve et netværk af repeater-knudepunkter. Hver knude vil midlertidigt gemme kvanteinformationen i en hukommelse, før den teleporteres til en efterfølgende knude, i sidste ende etablere langdistance kvantekommunikation.

To mikromekaniske resonatorer, der deler en enkelt kvantetilstand

I deres eksperiment, forskerne skaber en polarisationskodet fotonisk qubit i en vilkårlig kvantetilstand. De transporterer derefter denne foton over titusvis af meter optisk fiber og teleporterer den til deres kvantehukommelse bestående af to massive, mekaniske siliciumresonatorer - hver omkring 10 mikrometer i størrelse og bestående af titusinder af atomer. Kvanteinformationen blev lagret i enkelt-excitationsunderrummet af de to resonatorer. For at teste pålideligheden af ​​processen, forskerne viste yderligere, at de trofast kunne hente denne teleporterede tilstand fra hukommelsen.

Telecom bølgelængder

Selvom kvanteteleportation allerede er blevet demonstreret i forskellige kvantesystemer, brugen af ​​optomekaniske enheder er et gennembrud, fordi de kan designes til at fungere ved enhver optisk bølgelængde, herunder de infrarøde telefiberbølgelængder med lavt tab. "Det er denne bølgelængde, der resulterer i det laveste transmissionstab, tillade den længste afstand mellem repeater-knudepunkter, " Gröblacher siger. "Denne milepæl var mulig på grund af kvaliteten og fleksibiliteten af ​​vores nanofabrikerede optomekaniske systemer, hvilken, i modsætning til de fleste andre kvantesystemer, giver mulighed for uafhængigt konstruerede optiske egenskaber. Et fremtidigt kvanteinternet vil uden tvivl gøre brug af det eksisterende telenetværk på denne bølgelængde."

Alle byggeklodserne

I princippet, kvanteteleportering kan udføres over vilkårlige afstande. Ved at teleportere en fotonisk kvantetilstand over snesevis af meter optisk fiber til en kvantehukommelse, forskerne har demonstreret kravet om en fuldt funktionel optomekanisk kvanterepeaterknude. Gröblacher:"Vi er nu nødt til at forbedre ydeevnen yderligere til det niveau, der kræves for et system, der kan implementeres i en applikation i den virkelige verden, såsom at øge gentagelsesfrekvensen, troskaber og succesraten for qubit-teleportering og -lagring." Ifølge Thiago Alegre, forsker ved University of Campinas og samarbejdspartner på dette projekt, en vej vil være at designe optomekaniske systemer, der er modstandsdygtige over for parasitisk optisk absorption. "Dette kan realiseres på grund af fleksibiliteten af ​​disse nanofabrikerede enheder."

En hybrid tilgang

Den nuværende forskning er et stort skridt i retning af Gröblachers vision om et fremtidigt hybridt kvanteinternet. "Vi arbejder hen imod et heterogent netværk, hvor du har forskellige fysiske systemer, der kommunikerer og udfører forskellige funktionaliteter, " siger han. "Du kan have optomekaniske kvanterepeaterknuder forbundet til en kvantecomputer eller hukommelse bestående af superledende qubits eller spin-kvantesystemer, henholdsvis. Alle disse skal være kompatible med hinanden og fungere ved samme bølgelængde for trofast at overføre kvanteinformation."

Kvante-til-klassisk overgang

Udover at muliggøre byggesten til nye kvanteteknologier, evnen til at teleportere en vilkårlig qubit-tilstand til massiv, mekaniske oscillatorer kan også bruges til at teste selve kvantefysikken på et grundlæggende niveau. Mens meget små systemer typisk opfører sig i overensstemmelse med kvantemekanikkens love, store systemer er styret af fysikkens klassiske love. "Eksperimenter har udelukket visse teorier, der beskriver dekohærensmekanismer, der fører til kvante-til-klassisk overgang, men vi er langt væk fra et endeligt svar, ", siger Gröblacher. "Da det er relativt nemt at skalere vores optomekaniske systemer og bruge teleportering til at skabe interessante kvantetilstande, dette er et vigtigt skridt i at forstå denne grænse."