Transmitterer sammenfiltring mellem lys og stof i Barcelonas storbynetværk

Efterhånden som bestræbelserne på at realisere kraftfulde kvantecomputere og kvantesimulatorer fortsætter, er der et parallelt program, der sigter mod at opnå kvanteanalogen til det klassiske internet.

Dette nye kvantenetværk vil give ultrasikker, kvantesikker cybersikkerhed og vil i sidste ende blive viet til udveksling af qubits, de enhedselementer af kvanteinformation og sproget i kvantecomputere. Det vil faktisk give et net, som forskellige kvantecomputere kan forbinde over, ligesom klassiske processorer er forbundet i cloud computing.

Et forhåndsvalg for fremtidens kvante-internetinfrastruktur er faktisk det eksisterende telekommunikationsnetværk, som giver en næsten allestedsnærværende kanal, over hvilken lys kan rejse meget store afstande med begrænset absorption. På grund af denne lave absorption og dets høje hastighed er lys en god kandidat som informationsbærer, hvad enten det er klassisk eller kvante.

Klart laserlys kan let bruges til at overføre klassisk information på internettet, mens dæmpningen af ​​lys i optiske fibre kompenseres af lysforstærkere placeret hver tiende km i disse fibre. Men overførsel af kvanteinformation – kvantekommunikation – kræver meget mere sofistikerede midler.

Kvantebits er stadig kodet i lys, specifikt enkelte fotoner, men denne kvantekodning kan ikke forstærkes, fordi kvantemekanikkens regler forhindrer det; hvis du forsøger at forstærke kvantekodningen, ødelægger du alvorligt informationen indeholdt i fotonerne. Således kan de forstærkere, der bruges i klassiske netværk, ikke bruges til kvantebit. Det betyder, at en radikalt ny teknologi er nødvendig for at bygge en kvanteversion af internettet:kvanterepeateren.

Da lysforstærkere sikrer forbindelse mellem fjerne steder, vil kvanterepeatere give mulighed for langdistancekommunikation ved at distribuere sammenfiltring mellem dem.

Entanglement er udelukkende en kvanteegenskab for to objekter, der viser korrelationer, der ikke kan reproduceres med klassiske midler, og det er en af ​​de primære komponenter i kvantekommunikation. Den kan bruges til at overføre kvanteinformation, for eksempel gennem kvanteteleportation mellem to knudepunkter i et kvanterepeatersystem.

En måde at etablere fjernsammenfiltring mellem to knudepunkter er gennem direkte transmission:et sammenfiltret par fotoner kan genereres, hvor den ene bliver siddende, mens den anden rejser til det andet sted. Det betyder, at sidstnævnte skal være kompatibel med optisk fibertransmission, mens førstnævnte skal lagres i en kvantehukommelse, hvilket fører til sammenfiltring mellem lys og stof.

Nu har man brug for et sæt kvanterepeatere til at parre flere af disse noder for at opnå langdistancesammenfiltring mellem kvantehukommelser. En lovende arkitektur for disse kvanterepeaterknuder er afhængig af parring af den spontane generering af fotonpar, en proces kendt som spontan nedkonvertering (SPDC), med en ekstern kvantehukommelse.

Det er den tilgang, forskere ved ICFO har taget. I en ny undersøgelse, der vises på arXiv preprint-server, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Søren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera og Felicien Appas, ledet af ICREA-professor ved ICFO Hugues de Riedmatten, demonstrerer transmissionen af ​​sammenfiltring af lys-stof over titusvis af kilometer optisk fiber.

I deres eksperiment genererede de par af fotoner, hvor den ene udsendes ved telekommunikationsbølgelængden på 1436 nm, mens den anden udsendes ved 606 nm, kompatibelt med de anvendte solid-state kvantehukommelser, realiseret i specielle krystaller doteret med sjældne jordarters atomer.

De tog derefter fat i Barcelonas storbynetværk og forbinder deres system til to fibre, der løb fra ICFO i Castelldefels til Catalunyas telekommunikationscenter (CTTI), en Hospitalet de Llobregat. Ved at forbinde begge centre skabte de en ring på 50 km, og sendte fotonerne hele vejen til centrum af Barcelona og tilbage til ICFO.

Med dette demonstrerede de, at efter en hel rundtur på 50 km, bevarer lyset, der genereres i laboratoriet, sine kvantetræk uden væsentligt fald, hvilket viser, at de fotoniske qubits ikke viser dekohærens, når de rejser titusinder af km i et fiberoptisk kabel, selv i et storbyområde. Kort sagt, kvantelys forlod laboratoriet, og det blev i sidste ende detekteret tilbage ved dets oprindelse.

Imidlertid kræver kvantekommunikation brug og verifikation af sammenfiltring mellem fjerntliggende steder, hvor sammenfiltrede fotoner detekteres på steder, der er godt adskilt i rum og tid. I denne retning udvidede forskerne deres netværk til at omfatte en ny node, denne gang placeret ved i2CAT-fonden, en bygning i Barcelona, ​​omkring 44 km fra ICFO gennem det lokale optiske fibernetværk og 17 km i en lige linje.

Der installerede de en telekommunikationsdetektor til at måle ankomsten af ​​fotoner, der kom gennem en af ​​fibrene, mens den anden fiber var forbundet med en transducer, som gjorde detektorens elektriske signal til lys og sendte det gennem den optiske fiberlinje.

På denne måde kunne informationen formidles tilbage til ICFO med høj præcision, selvom fotonen blev detekteret omkring 17 km væk. Desuden brugte de de samme transducere til at sende synkroniseringssignaler mellem de to knudepunkter i dette grundlæggende netværk, hvor genereringen og detekteringen af ​​kvantekorrelationer var fuldstændig adskilt mellem to uafhængige, men alligevel forbundne knudepunkter.

Eksperimentet validerede det system, som forskerne brugte til at generere sammenfiltring af lys-stof og har vist sig at være en af ​​de banebrydende kandidater til realiseringen af ​​en kvanterepeater-knude, den muliggørende teknologi til langdistance kvantekommunikation. Proof-of-princip-demonstrationer er allerede blevet realiseret i laboratoriet, og gruppen arbejder nu på at forbedre ydeevnen af ​​både hukommelsen og kilden.

Desuden har forskerne indgået partnerskab med Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya), og et nyt laboratorium er tilgængeligt ved Collserola-tårnet inden for rammerne af QNetworks- og EuroQCI Spain-projekterne til realisering af en sammenfiltret tilstand af fjerntliggende kvantehukommelser.

Realiseringen af ​​en langdistance-rygrad til sammenfiltringsfordeling mellem kvantehukommelser er også et af hovedmålene for Quantum Internet Alliance (QIA), den førende europæiske indsats i realiseringen af ​​kvanteinternettet, som ICFO er hovedpartner for.

Resultaterne af denne undersøgelse, "nemlig transmissionen af ​​sammenfiltring af let-stof over fibre udsat i et storbyområde, er det første skridt mod realiseringen af ​​et fuldgyldigt kvanteinternet, med vores kilde- og hukommelseskvanteknude i sin kerne, " kommenterer Samuele Grandi, en forsker ved ICFO og medforfatter af undersøgelsen.

Som ICREA-professor ved ICFO Hugues de Riedmatten konkluderer, "Lysstofsammenfiltring er en nøgleressource for kvantekommunikation og blev demonstreret mange gange i laboratoriet. Demonstrering af det i det installerede fibernetværk er et første skridt i retning af at realisere et test-bed for kvanterepeaterteknologier i Barcelona-området, der forbereder jorden for langdistancefiberbaserede netværk."

Flere oplysninger: Jelena V. Rakonjac et al., Transmission of light-stof entanglement over a metropolitan network, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2304.05416

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af ICFO