Forskerholdet tager et grundlæggende skridt mod et fungerende kvanteinternet

Forskning med kvantecomputere og kvantenetværk finder sted rundt om i verden i håb om at udvikle et kvanteinternet i fremtiden. Et kvanteinternet ville være et netværk af kvantecomputere, sensorer og kommunikationsenheder, der vil skabe, behandle og transmittere kvantetilstande og sammenfiltring og forventes at forbedre samfundets internetsystem og levere visse tjenester og værdipapirer, som det nuværende internet ikke har.

Et hold af Stony Brook University-fysikere og deres samarbejdspartnere har taget et væsentligt skridt mod opbygningen af ​​et kvanteinternet-testbed ved at demonstrere en grundlæggende kvantenetværksmåling, der anvender kvantehukommelser ved stuetemperatur. Deres resultater er beskrevet i et papir offentliggjort i npj Quantum Information .

Kvanteinformationsområdet kombinerer i det væsentlige aspekter af fysik, matematik og klassisk databehandling for at bruge kvantemekanik til at løse komplekse problemer meget hurtigere end klassisk databehandling og til at transmittere information på en uhackbar måde.

Mens visionen om et kvanteinternetsystem vokser, og feltet har oplevet en stigning i interesse fra forskere og offentligheden som helhed, ledsaget af en kraftig stigning i den investerede kapital, er der ikke bygget en egentlig kvanteinternetprototype.

Ifølge forskerholdet fra Stony Brook er den vigtigste forhindring for at opnå potentialet for at gøre kommunikationsnetværk mere sikre, målesystemer mere præcise og algoritmer for visse videnskabelige analyser mere kraftfulde, afhængig af udvikling af systemer, der er i stand til at bringe kvanteinformation og sammenfiltring på tværs af mange noder og over lange afstande. Disse systemer kaldes kvanterepeatere og er en af ​​de mere komplekse udfordringer i den nuværende fysikforskning.

Forskerne har avanceret kvanterepeater-kapacitet i deres seneste eksperimenter. De byggede og karakteriserede kvantehukommelser, der fungerer ved stuetemperatur, og demonstrerede, at disse minder har identisk ydeevne, en væsentlig egenskab, når målet er at bygge storstilede kvanterepeater-netværk, der vil omfatte flere af disse minder.

De testede, hvor identiske disse hukommelser er i deres funktionalitet ved at sende identiske kvantetilstande ind i hver af hukommelserne og udføre en proces kaldet Hong-Ou-Mandel Interference på outputtet fra hukommelserne, en standardtest til at kvantificere udskilleligheden af ​​fotonegenskaber.

De demonstrerede, at processen med at lagre og hente optiske qubits i deres rumtemperatur kvantehukommelser ikke væsentligt forvrænger den fælles interferensproces og giver mulighed for hukommelsesassisteret entanglement swapping, en protokol til at distribuere entanglement over lange afstande og nøglen til at opbygge operationelt kvante. gengangere.

"Vi mener, at dette er et ekstraordinært skridt hen imod udviklingen af ​​levedygtige kvanterepeatere og kvanteinternettet," siger hovedforfatter Eden Figueroa, Ph.D., Stony Brook Presidential Innovation Endowed Professor og direktør for Center for Distributed Quantum Processing, som har en fælles ansættelse ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory.

Derudover fungerer kvantehardwaren udviklet af teamet ved stuetemperatur, hvilket reducerer driftsomkostningerne betydeligt og gør systemet meget hurtigere. Meget af kvanteforskningen foregår ikke ved stuetemperatur, men ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt, som er dyrere, langsommere og teknisk mere udfordrende at netværke. Rumtemperaturteknologi er således en lovende teknologi til opbygning af kvantenetværk i stor skala.

Holdet har ikke kun opnået rumtemperatur kvantehukommelse og kommunikationsresultater, men har patenteret deres tilgang. De modtog amerikanske patenter vedrørende kvantelagring ved stuetemperatur og kvanterepeatere med høj gentagelseshastighed.

"At få disse flåder af kvantehukommelser til at arbejde sammen på kvanteniveau og i stuetemperatur er noget, der er essentielt for ethvert kvanteinternet i enhver skala. Så vidt vi ved, er denne bedrift ikke blevet demonstreret før, og vi forventer at bygge videre på denne forskning," understreger Figueroa og bemærker, at deres patenterede teknologi gør dem i stand til yderligere at teste kvantenetværket.

Medforfatterne Sonali Gera, en postdoc-forsker, og Chase Wallace, en ph.d.-studerende, begge i Institut for Fysik og Astronomi, arbejdede tæt sammen med Figueroa sammen med andre kolleger under eksperimentet, som på en måde sigter mod effektivt at "forstærke " sammenfiltring over afstande, den væsentlige funktion af en kvanterepeater.

"Fordi hukommelserne er i stand til at lagre fotoner med en brugerdefineret lagringstid, var vi også i stand til at vise tidssynkronisering af fotonernes genfinding på trods af at fotonerne ankommer til hukommelserne på tilfældige tidspunkter, hvilket er en anden funktion, der er nødvendig for at drive et kvante repeatersystem," forklarer Gera.

Hun og Wallace tilføjer, at nogle af de næste trin i holdets forskning er at opbygge og karakterisere kilder til sammenfiltring, der er kompatible med kvantehukommelserne, og at designe mekanismer til at "varsle" tilstedeværelsen af ​​lagrede fotoner på tværs af mange kvantehukommelser.

Flere oplysninger: Sonali Gera et al., Hong-Ou-Mandel-interferens af enkelt-foton-niveauimpulser lagret i uafhængige rumtemperatur kvantehukommelser, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-024-00803-2

Leveret af Stony Brook University