Tehokkaampaa optista kvanttiteleportaatiota

Tutkijat ovat jo pitkään tienneet, että kvanttiviestintäjärjestelmät välittäisivät kvantti-informaatiota paremmin ja olisivat immuuneja tietyntyyppisille virheille, jos käytettäisiin epälineaarisia optisia prosesseja.

Aikaisemmat yritykset tällaisten prosessien sisällyttämiseksi eivät kuitenkaan kyenneet toimimaan kvanttiviestinnän edellyttämillä erittäin alhaisilla valotasoilla.

Illinoisin Urbana-Champaign yliopiston tiimi on nyt parantanut teknologiaa perustamalla epälineaarisen prosessin indium-gallium-fosfidi -nanofotoniseen alustaan. Tulos on huomattavasti tehokkaampi kuin aiemmat järjestelmät, mikä tarkoittaa, että se vaatii paljon vähemmän valoa ja toimii aina yksittäisiin fotoneihin asti. Ensimmäistä kertaa on olemassa tie eteenpäin, jolla epälineaarista optiikkaa käyttävät kvanttiviestintäjärjestelmät voidaan toteuttaa.

”Epälineaarinen järjestelmämme lähettää kvantti-informaatiota 94 %:n tarkkuudella, kun lineaarisia optisia komponentteja käyttävien järjestelmien teoreettisen raja on 33 %”, sanoo professori Kejie Fang. ”Pelkästään tämä osoittaa kvanttiviestinnän tehokkuuden epälineaarisen optiikan kanssa.

Kvantti-informaation siirtoa verkkojen kautta helpottaa kvanttiteleportaation protokolla. Siinä hyödynnetään kvanttilomittumista kvantti-informaation siirtämiseen lähettäjän ja vastaanottajan välillä ilman, että se siirretään tietoliikennekanavan kautta. Tämän menetelmän etuna on, että ulkoisen kohinan ja kanavaepätäydellisyyksien vaikutukset vähenevät huomattavasti.

Kvanttiteleportaation suorituskykyä rajoittaa kaksi tekijää.

Ensinnäkin standardien, lineaaristen optisten komponenttien käyttö tuo mukanaan luontaisia epäselvyyksiä tiedonsiirtoon. Toiseksi lomittuneet fotonit tuotetaan epätäydellisellä prosessilla, joka on altis virheille ja liialliselle kohinalle. Erityisesti on yleistä, että lomittumisen lähteet tuottavat useamman kuin yhden fotoniparin kerralla, mikä tekee epäselväksi, ovatko teleportaatiossa käytetyt kaksi todella lomittuneet.

”Monifotonikohinaa esiintyy kaikissa realistisissa lomittumislähteissä, ja se on vakava ongelma kvanttiverkoille”, sanoo Elizabeth Goldschmidt. ”Epälineaarisen optiikan houkuttelevuus piilee siinä, että se voi lieventää monifotonikohinan vaikutusta taustalla olevan fysiikan avulla, mikä mahdollistaa toiminnan epätäydellisten lomittumislähteiden kanssa.”

Epälineaariset optiset komponentit saavat eri taajuiset fotonit yhdistymään ja luomaan uusia fotoneja uusilla taajuuksilla. Kvanttiteleportaatiossa käytetty epälineaarinen prosessi on "summataajuusgenerointi" (SFG), jossa kahden fotonin taajuudet summautuvat muodostaen uuden fotonin. Kahdella alkuperäisellä fotonilla on kuitenkin oltava tietyt lähtötaajuudet, jotta prosessi tapahtuisi.

Kun SFG:tä käytetään kvanttiteleportaatiossa, protokolla ei etene, jos havaitaan kaksi saman taajuuden fotonia. Tämä suodattaa pois ensisijaisen kohinan useimmissa lomittuneissa fotonilähteissä ja mahdollistaa paljon suuremman teleportaatiotarkkuuden kuin muuten olisi mahdollista. Suurin haittapuoli on, että SFG-muunnos tapahtuu hyvin pienellä todennäköisyydellä, mikä tekee teleportaatioprosessista erittäin tehottoman.

”Tutkijat ovat tienneet tästä jo pitkään, mutta sitä ei ole tutkittu täysin onnistuneen SFG:n alhaisen todennäköisyyden vuoksi”, Fang sanoi. ”Aiemmin paras saavutettu tulos oli 1/100 miljoonasta. Saavutuksemme on 10 000-kertainen konversiotehokkuuden lisäys 1/10 000 nanofotonisen alustan avulla.”

Tutkijat ovat optimistisia sen suhteen, että epälineaaristen optisten komponenttien avulla tapahtuvaa kvanttiteleportaatiota voidaan jatkokehityksen myötä tehostaa entisestään. He uskovat, että sitä voidaan käyttää muissa kvanttiviestintäprotokollissa, mukaan lukien lomittumisen vaihto.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiteleportaation esittely Internet-kaapeleissa

Hybridilomittuminen tehostaa kvanttiteleportaatiota

Tutkijat teleportoivat kvantti-informaatiota kvanttiverkossa