Verden er et skridt nærmere sikker kvantekommunikation på globalt plan

Forskere ved University of Waterloo's Institute for Quantum Computing (IQC) har samlet to nobelprisvindende forskningskoncepter for at fremme kvantekommunikationsområdet.

Forskere kan nu effektivt producere næsten perfekte sammenfiltrede fotonpar fra kvantepunktkilder. Forskningen, "Oscillerende fotonisk klokketilstand fra en halvlederkvanteprik til kvantenøglefordeling," blev offentliggjort i Communications Physics

Sammenfiltrede fotoner er partikler af lys, der forbliver forbundet, selv over store afstande, og 2022 Nobelprisen i fysik anerkendte eksperimenter om dette emne. Ved at kombinere sammenfiltring med kvanteprikker, en teknologi anerkendt med Nobelprisen i kemi i 2023, sigtede IQC-forskerholdet på at optimere processen til at skabe sammenfiltrede fotoner, som har en bred vifte af applikationer, herunder sikker kommunikation.

"Kombinationen af ​​en høj grad af sammenfiltring og høj effektivitet er nødvendig for spændende applikationer såsom kvantenøgledistribution eller kvanterepeatere, som er forudset til at udvide afstanden for sikker kvantekommunikation til en global skala eller forbinde fjernkvantecomputere," sagde Dr. . Michael Reimer, professor ved IQC og Waterloo's Department of Electrical and Computer Engineering.

"Tidligere eksperimenter målte kun enten næsten perfekt sammenfiltring eller høj effektivitet, men vi er de første til at opnå begge krav med en kvanteprik."

Ved at indlejre halvlederkvanteprikker i en nanotråd skabte forskerne en kilde, der skaber næsten perfekte sammenfiltrede fotoner 65 gange mere effektivt end tidligere arbejde.

Denne nye kilde, der er udviklet i samarbejde med National Research Council of Canada i Ottawa, kan begejstres med lasere for at generere sammenfiltrede par på kommando. Forskerne brugte derefter højopløselige enkeltfotondetektorer leveret af Single Quantum i Holland for at øge graden af ​​sammenfiltring.

"Historisk set var kvantepunktsystemer plaget af et problem kaldet finstrukturspaltning, som får en sammenfiltret tilstand til at oscillere over tid. Dette betød, at målinger taget med et langsomt detektionssystem ville forhindre sammenfiltringen i at blive målt," siger Matteo Pennacchietti, en Ph.D. studerende ved IQC og Waterloo's Department of Electrical and Computer Engineering.

"Vi overvandt dette ved at kombinere vores kvanteprikker med et meget hurtigt og præcist detektionssystem. Vi kan grundlæggende tage et tidsstempel af, hvordan den sammenfiltrede tilstand ser ud på hvert punkt under svingningerne, og det er der, vi har den perfekte sammenfiltring."

For at fremvise fremtidige kommunikationsapplikationer arbejdede Reimer og Pennacchietti sammen med Dr. Norbert Lütkenhaus og Dr. Thomas Jennewein, begge IQC-fakultetsmedlemmer og professorer i Waterloo's Institut for Fysik og Astronomi, og deres teams.

Ved at bruge deres nye kvantepunktsammenfiltringskilde simulerede forskerne en sikker kommunikationsmetode kendt som kvantenøglefordeling, hvilket beviser, at kvanteprikkilden har et betydeligt løfte i fremtiden for sikker kvantekommunikation.

Flere oplysninger: Matteo Pennacchietti et al., Oscillerende fotonisk klokketilstand fra en halvlederkvanteprik til kvantenøglefordeling, Kommunikationsfysik (2024). DOI:10.1038/s42005-024-01547-3

Journaloplysninger: Kommunikationsfysik

Leveret af University of Waterloo