Kohti hakkeroimatonta kvantti-internettiä

Koelaitteen SEM-mikroskopiakuva. Ripustetut timanttilangat (harmaat) kuljettavat informaatiota kantavia fotoneja kaviteettiin. Se rajoittaa valoa implantoidun piiatomimuistin (SiV) päällä siten, että informaatio siirretään muistiin. Elektrodit (kulta) käytetään sitten manipuloimaan SiV-muistiin tallennettuja informaatiota.

Kvantti-internettiä voitaisiin käyttää hakkeroimattomien viestien välittämiseen, GPS:n tarkkuuden parantamiseen ja pilvipohjaiseen kvanttilaskentaan.

Yli kahdenkymmenen vuoden ajan unelmat tällaisen kvanttiverkon luomisesta ovat pysyneet suurelta osin ulottumattomissa, koska on vaikea siirtää kvanttisignaaleja suurilla etäisyyksillä ilman hävikkiä.

Nyt Harvardin ja MIT:n tutkijat ovat löytäneet tavan korjata signaalin menetykset prototyyppisellä kvanttisolmulla, joka pystyy nappaamaan, tallentamaan ja lomittamaan kvantti-informaation bittejä. Tutkimus on puuttuva linkki kohti käytännöllistä kvantti-internettiä ja merkittävä askel eteenpäin laajojen ulottuvuuksien kvanttiverkkojen kehittämisessä.

"Tämä demonstraatio on käsitteellinen läpimurto, joka voi laajentaa kvanttiverkkojen pisintä mahdollista ulottuvuutta, valikoimaa ja potentiaalisesti mahdollistaa monia uusia sovelluksia tavalla, joka on mahdotonta minkään olemassa olevan tekniikan kanssa", sanoi professori Mikhail Lukin. "Tämä on tavoitteen realisointi, jota kohti kvantti- ja tekniikkayhteisömme on pyrkinyt yli kaksi vuosikymmentä."

Yksittäisillä kvanttiyhteyksillä käytetään valon yksittäisiä fotoneja kommunikointiin valon kvanttitiloilla. Keskitinsolmua vaativaan verkottumiseen tarvitaan kvanttitilojen lomittumista.

Sama fyysinen periaate, joka tekee kvanttiviestinnästä erittäin turvallisen, tekee mahdottomaksi käyttää klassisia laitteita informaation ohjailemiseksi ja hävikkien korjaamiseksi.

Tutkijat ovat nyt valjastaneet järjestelmän, joka pystyy suorittamaan tavoitellut tehtät hyvin - timantin piivakanssin värikeskuksissa.

Nämä keskukset ovat pieniä timantin atomirakenteen virheitä, jotka voivat absorboida ja säteillä valoa, mikä antaa timantille loistavat värit.

"Useiden viime vuosien aikana laboratoriomme ovat pyrkineet ymmärtämään ja hallitsemaan yksittäisiä piivakanssien värikeskuksia erityisesti sen suhteen, kuinka niitä voidaan käyttää yksittäisten fotonien kvanttimuisteina", kertoi Lukin-ryhmän jatko-opiskelija Mihir Bhaskar.

Tutkijat integroivat yksittäisen värikeskuksen nanovalmistetun timantin kaviteettiin, joka rajoittaa informaatiota kantavat fotonit ja pakottaa ne toimimaan vuorovaikutuksessa yksittäisen värikeskuksen kanssa. Sitten rakenne sijoitetaan lähelle absoluuttisen nollan lämpötilaa ja siihen siirrettiin yksittäisiä fotoneja valokuidun avulla, jolloin värikeskus kaappasi ja loukutti ne tehokkaasti.

Laite voi tallentaa kvantti-informaatiota millisekuntien ajan - tarpeeksi kauan, jotta informaatiota voidaan kuljettaa tuhansien kilometrien yli. Ontelon ympärille upotettuja elektrodeja käytettiin ohjaussignaalien välittämiseen muistiin tallennetun informaation käsittelemiseksi ja säilyttämiseksi.

"Laiterakenne yhdistää kvanttitoistimen kolme tärkeintä osaa - pitkän muistin, kyvyn napata tehokkaasti fotonien informaatio ja tavan käsitellä sitä paikallisesti", kertoi jatko-opiskelija Bart Machielse. "Jokainen näistä haasteista on käsitelty jo aiemmin erikseen, mutta yksikään laite ei ole yhdistänyt kaikkia kolmea."

"Pyrimme tällä hetkellä laajentamaan tätä tutkimusta ottamalla kvanttimuistimme käyttöön todellisissa kaupunkien kuituoptisissa yhteyksissä", kertoi Lukin-ryhmän tutkijatohtori Ralf Riedinger. ”Suunnittelemme luomaan suuria verkkoja lomittuneista kvanttimuisteista ja tutkimaan kvantti-internetin ensimmäisiä sovelluksia.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitiedonsiirtoa nykyisissä kuituverkoissa

Kvanttiteleportaatio piifotonisella sirulla

Timantin vikakohdasta kvanttimuisti