Forskere demonstrerer multi-foton tilstandsoverførsel mellem fjerntliggende superledende noder

I løbet af de sidste par årtier har kvantefysikere og ingeniører forsøgt at udvikle nye, pålidelige kvantekommunikationssystemer. Disse systemer kunne i sidste ende tjene som et testbed til at evaluere og fremme kommunikationsprotokoller.

Forskere ved University of Chicago introducerede for nylig et nyt kvantekommunikationstestbed med fjerntliggende superledende noder og demonstrerede tovejs multifotonkommunikation på dette testbed. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , kunne åbne en ny vej mod at realisere den effektive kommunikation af komplekse kvantetilstande i superledende kredsløb.

"Vi udvikler superledende qubits til modulær kvanteberegning og som et testbed for kvantekommunikation," fortalte Andrew Cleland, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Begge er afhængige af at være i stand til at kommunikere kvantetilstande sammenhængende mellem qubit-'noder', der er forbundet med hinanden med et sparsomt kommunikationsnetværk, typisk en enkelt fysisk transmissionslinje."

Forskernes seneste undersøgelse bygger på to tidligere forskningsartikler publiceret i Nature Physics og Natur . I disse tidligere værker demonstrerede holdet, at de kunne generere fjernforviklinger og sende komplekse kvantetilstande, hvoraf sidstnævnte en qubit ad gangen.

"I vores nye undersøgelse ønskede vi at prøve at sende komplekse kvantetilstande, der repræsenterer flere qubits på samme tid," sagde Cleland. "For at gøre dette indlæste vi kvantetilstanden til at blive sendt ind i en resonator og sendte derefter hele resonatortilstanden ind i transmissionslinjen og fangede den med en fjernresonator til efterfølgende analyse."

Resonatorer, enheder, der udviser elektrisk resonans, har et nominelt uendeligt antal kvanteniveauer. Som et resultat er de teoretisk set i stand til at lagre meget komplekse tilstande, der koder for flere qubits værdi af data. På grund af disse fordelagtige egenskaber kan brug af resonatorer til at sende og modtage data øge den tilgængelige båndbredde.

I deres eksperiment brugte Cleland og hans kolleger to superledende qubits, som hver var forbundet til en afstembar superledende resonator. Hver af disse resonatorer var på sin side forbundet til en 2 m lang transmissionsledning via en enhed kendt som en variabel kobler.

"Vi bruger en superledende qubit til at 'programmere' i forskellige kvantetilstande til dens ledsagende resonator ved at bruge metoder, som vi etablerede for mange år siden," sagde Cleland.

"Vi tænder derefter koblingen af ​​resonatoren til transmissionslinjen, og frigiver den (muligvis komplekse) kvantetilstand fra resonatoren til transmissionslinjen, hvor den transmitteres som et (muligvis komplekst) sæt af sammenfiltrede mobile fotoner. De er så 'fanget' af den anden resonator ved at bruge det omvendte af udgivelsesprocessen, og vi bruger den resonator's qubit til at analysere den modtagne tilstand. Systemet kan transmittere lige godt i begge retninger (altså 'tovejs')."

Designet implementeret af forskerne gjorde det muligt for dem at realisere den tovejs transmission af enkelte mikrobølgefrekvensfotoner, såvel som den samtidige transmission af en to-foton Fock-tilstand |2> i én retning med transmissionen af ​​en en-foton Fock-tilstand |1> i den anden retning, såvel som den (separate) transmission af overlejrede foton Fock-tilstande |0>+|1> og |0>+|2>.

"Vi viste derefter genereringen af ​​såkaldte N00N-tilstande, der repræsenterer sammenfiltring mellem de to resonatorer, og i sidste ende realiserede vi først genereringen af ​​den sammenfiltrede tilstand |10>+|01> med en foton 'delt' mellem de to resonatorer, derefter generationen af staten |20>+|02>, med to fotoner 'delt' på samme måde," sagde Cleland.

"Samlet set viser vores arbejde en mulig vej mod højeffektiv kommunikation af mere komplekse kvantetilstande end blot enkelte fotoner mellem to noder."

Den nye kvantekommunikationstestplads introduceret af Cleland og hans kolleger kan snart bane vejen for yderligere arbejde og fremskridt. For det første kunne det bruges til at realisere distribueret databehandling, hvor hver node i et kredsløb udfører beregninger og effektivt kommunikerer resultater til en anden node. Derudover kunne den bruges til at demonstrere systemer, hvor to noder deler en kompleks tilstand, og hver udfører særskilte manipulationer på denne tilstand.

"Vores platform kunne også bruges til kvantekommunikation, hvor for eksempel kodet kvanteinformation af en vis kompleksitet kunne transmitteres i en enkelt overførsel," tilføjede Cleland.

"Vi arbejder nu på en række forskellige aspekter af dette eksperiment; for eksempel planlægger vi at øge antallet af noder (som var to i vores seneste eksperiment), øge processens troværdighed og undersøge, hvad der er muligt, hvis vi have flere kommunikationskanaler sideløbende."

Flere oplysninger: Joel Grebel et al., Bidirektionel multifotonkommunikation mellem fjernsuperledende noder, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.047001. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.00124

Journaloplysninger: Natur , Physical Review Letters , Naturfysik , arXiv

© 2024 Science X Network