22 maja 2023 r&pocisk; Fizyka 16, 84

Wzmacniacz kwantowy oparty na uwięzionych jonach umożliwia transmisję splątanych fotonów o długości fali telekomunikacyjnej na odległość ponad 50 km.

APS/M. Hajdušek/C. Kain

APS/M. Hajdušek/C. Kain

×

Sieci komunikacyjne zmieniły nasze społeczeństwo w ciągu ostatniego półwiecza i trudno sobie wyobrazić nasze codzienne życie bez nich. Ostatnie postępy w rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowych podniosły naukowców na myśl o możliwości łączenia urządzeń kwantowych w sieci. Komunikacja kwantowa na duże odległości zapewnia funkcjonalność, która jest poza zasięgiem klasycznych sieci [1]. Aby w pełni wykorzystać splątanie i inne efekty kwantowe, sieci kwantowe wymieniają sygnały na poziomie pojedynczych fotonów. W rezultacie tłumienie w światłowodzie jest dominującym źródłem błędów w tych systemach. Utracie fotonów można jednak zaradzić za pomocą zestawu pośrednich węzłów sieci, zwanych wzmacniaczami kwantowymi, które tworzą bezpośrednie splątane połączenie między odległymi węzłami sieci [2]. Repeater kwantowy oparty na centrach wolnych miejsc azotu w diamencie osiągnął ostatnio splątanie dwóch węzłów sieci oddzielonych odległością 32 m [3]. Teraz Victor Krutyanskiy z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii i jego współpracownicy wdrożyli repeater kwantowy wykorzystujący uwięzione jony, których użyli do połączenia dwóch niezależnych splątanych połączeń o długości 25 km w jedno połączenie o długości 50 km [4] (Rys. 1). Odległość ta jest rzędu wymaganego przez praktyczne sieci kwantowe w świecie rzeczywistym.

Znaczenie wyczynu Krutyanskiego i współpracowników można docenić, rozważając trzy pożądane cechy, jakie powinny posiadać działające wzmacniacze kwantowe. Pierwszym z nich jest możliwość wyposażenia w pamięci kwantowe [5]. Z powodu utraty fotonów i innych niedoskonałości sprzętu, generowanie zdalnego splątania jest procesem probabilistycznym. Wymaganie, aby połączenie typu end-to-end było nawiązywane tylko wtedy, gdy wszystkie połączenia krótkodystansowe działają jednocześnie, doprowadziłoby do wykładniczo małego ogólnego wskaźnika sukcesu. Przechowując splątanie na niewielką odległość, pamięci kwantowe umożliwiają nieudanym połączeniom powtórzenie prób ustanowienia splątania.

Druga pożądana cecha repeaterów kwantowych dotyczy samych fotonów. Tłumienie w światłowodach zmienia się w zależności od długości fali światła używanego do kodowania sygnału. Nowoczesne światłowody zazwyczaj przenoszą sygnały optyczne o długości fali telekomunikacyjnej — około 1550 nm — przy której tłumienie sygnału jest minimalne. Jest wysoce pożądane, aby repeater kwantowy mógł łączyć się ze światłem na tych długościach fal telekomunikacyjnych [6].

Trzecia pożądana cecha związana jest z „splataniem” splątania. Wzmacniacz generuje stan splątania między stacjonarną pamięcią kwantową a „latającym” fotonem, który przemieszcza się przez światłowód. Następnie powtarza proces z inną pamięcią, aby wytworzyć drugi latający foton. Dwa fotony są kierowane do odległych węzłów sieci, tworząc w ten sposób dwa niezależne splątane połączenia. Repeater następnie łączy te łącza za pomocą procedury znanej jako zamiana splątań. Splicing powinien być deterministyczny, a nie probabilistyczny, aby uniknąć zmniejszenia cennego całkowitego wskaźnika sukcesu splątania od końca do końca.

Krutyanskiy i współpracownicy zintegrowali wszystkie trzy funkcje w jeden system. Co więcej, udało im się również rozprowadzić splątanie między dwoma węzłami sieci, A i B, oddalonymi od siebie o 50 km, czyli odległość, która może być wystarczająca do praktycznych zastosowań sieci kwantowych. Zespół osiągnął ten wyczyn, wychwytując dwa jony wapnia ⁴⁰ok⁺ i używając ich jako dwóch pamięci kwantowych. Protokół repeatera rozpoczyna się od zainicjowania dwóch jonów do ich stanów podstawowych i sekwencyjnego oświetlania ich impulsami laserowymi. Laser przekazuje jonom wystarczającą ilość energii, aby przenieść je na wyższy poziom energetyczny. Późniejszy rozpad jonów powoduje, że każdy jon emituje foton, co pozostawia splątaną parę jon-foton. Fotony są gromadzone w konwerterze długości fali, urządzeniu, które zmienia naturalną długość fali emitowanych fotonów na długość fali telekomunikacyjnej odpowiednią dla ich dalszej podróży. Dwa fotony są następnie kierowane przez 25-kilometrowe szpule światłowodu do węzła A i węzła B. Na koniec repeater wykonuje deterministyczną zamianę splątania na dwóch posiadanych jonach, przekształcając splątanie jon-foton w foton-foton splątanie o długości 50 km.

Ostateczny stan foton-foton charakteryzuje się tomografią stanu, w której rozkład splątania jest powtarzany wiele razy, a fotony są mierzone w węzłach A i B w celu zbudowania statystycznej miary, znanej jako wierność, określającej, jak blisko wspólnego fotonu-fotonu stan jest idealny. Wierność jednostki oznacza doskonały stan idealny. Uzyskana wierność wyniosła 0,72, przy czym węzły A i B uzyskały splątanie ze wskaźnikiem sukcesu 9,2 Hz i prawdopodobieństwem sukcesu 9,2 × 10⁻⁴ za próbę. Ta wierność znacznie przekracza próg 0,5 niezbędny do splątania fotonów. Ponadto zespół przeprowadził eksperyment, w którym splątanie foton-foton zostało rozłożone na odległość 50 km bezpośrednio, bez wzmacniacza. Zmniejszony wskaźnik sukcesu wynoszący 6,7 Hz wykazał przewagę stosowania schematów wspomaganych przez repeater. Ta zaleta może wydawać się niewielka przy odległościach użytych w eksperymencie. Jednak bez wzmacniacza wskaźnik sukcesu staje się znikomo mały dla odległości powyżej 100 km.

W swoich badaniach zespół z Innsbrucku zadał prowokujące do myślenia pytanie: o ile lepsze musiałyby być parametry eksperymentalne, aby objąć odległość od końca do końca 800 km z wieloma połączonymi repeaterami? Co zaskakujące, kilka parametrów wymaga jedynie niewielkiej poprawy. Największy postęp jest potrzebny w niedeterministycznym swaperze splątania dla fotonów, który byłby wymagany do połączenia wielu repeaterów. Naukowcy przedstawiają przekonujące argumenty, że poprawa jest w zasięgu ręki w najbliższej przyszłości.

Ostatnie lata przyniosły ekscytujące demonstracje eksperymentalne w komunikacji kwantowej [7, 8]. W połączeniu z możliwościami długodystansowymi wykazanymi w tej pracy, jasne jest, że sieci kwantowe szybko przechodzą od teoretycznych propozycji do rzeczywistych implementacji. Należy pamiętać o dwóch ważnych lekcjach wyciągniętych z klasycznej sieci, Internetu. Po pierwsze, sam dobry sprzęt nie jest wystarczającą drogą do skalowalnej globalnej komunikacji. Musi mu towarzyszyć dobra architektura oprogramowania. Po drugie, dobre oprogramowanie długo dojrzewa. Fizycy i inżynierowie współpracują ze sobą, aby zaprojektować wyspecjalizowane protokoły warstwy łącza [9] a także całe architektury przyszłego internetu kwantowego [10] aby upewnić się, że sprzęt i oprogramowanie rozwijają się ręka w rękę.

o autorze

Michal Hajdušek jest profesorem nadzwyczajnym projektu w Graduate School of Media and Governance na kampusie Shonan Fujisawa Uniwersytetu Keio w Japonii, gdzie jest również członkiem grupy Advancing Quantum Architecture Group. Jego badania koncentrują się na sieciach kwantowych i ich architekturze, a także na dynamice nierównowagowych układów kwantowych. Po uzyskaniu doktoratu na Leeds University w Wielkiej Brytanii Hajdušek otrzymał stypendium podoktoranckie JSPS i przeniósł się na Uniwersytet Tokijski. Następnie pracował na Singapore University of Technology and Design oraz w Centre for Quantum Technologies w Singapurze.

Powiązane artykuły

Więcej artykułów