Fotonisen lomittumisen reitittämisellä kohti kvantti-internettiä

Tohokun yliopiston tutkijat kehittivät uuden fotonireitittimen, joka pystyy ohjaamaan yksittäisiä ja (kvantti) lomittuneina olevia fotoneja ennennäkemättömällä tehokkuudella.

Tämä kvanttioptiikan edistysaskel tuo meidät lähemmäksi kvanttiverkkoja ja seuraavan sukupolven fotonisia kvanttikvanttiteknologioita, joista tulee arkipäivää.

Fotonit ovat monien uusien kvanttisovellusten perusta turvallisesta viestinnästä tehokkaisiin kvanttitietokoneisiin. Jotta nämä teknologiat olisivat käytännöllisiä, fotonit on reititettävä nopeasti ja luotettavasti häiritsemättä niiden kantamia herkkiä kvanttitiloja.

Polarisaatio, fotonin sähkökentän suunta, on yksi yleisimmistä tavoista koodata kvantti-informaatiota. Tähän mennessä mikään laite ei kuitenkaan ole pystynyt reitittämään mielivaltaisen polarisaation omaavia fotoneja tietoliikenteen aallonpituuksilla sekä pienellä häviöllä että suurella tarkkuudella.

Tohokun yliopiston tiedekunnan professori Fumihiro Kanedan johtama tutkimusryhmä on ratkaissut tämän haasteen kehittämällä uudenlaisen elektro-optisen reitittimen. Tässä reitittimessä on kompakti, erityisesti suunniteltu interferometri, jossa optiset reitit muodostavat suunnikkaan tyypillisen suorakulmion sijaan. Tämä rakenne mahdollistaa kaikkien optisten komponenttien polarisaation säilyttävän toiminnan lähes normaalissa tulokulmassa.

”Sen ei pitäisi olla kuin rikkinäisen puhelimen leikki, jossa tietoa katoaa matkan varrella”, Kaneda selittää. ”Pohjimmiltaan suunnittelumme varmistaa, että vastaanotettu signaali on mahdollisimman lähellä lähetettyä signaalia – fotonipolarisaatio säilyi yli 99 %:n tarkkuudella.”

Näiden edistysaskeleiden ansiosta reitittimessä on mahdollisimman vähän optisia komponentteja, mikä vähentää merkittävästi optista häviötä ja mahdollistaa vakaan ja korkealaatuisen suorituskyvyn.

"Se lähettää fotoneja vain 0,06 dB:n häviöllä, mikä on vain noin 1,3 %", Kaneda selittää. "Se ei ainoastaan toimi tehokkaasti nanosekunnin nopeuksilla, vaan se on myös jo yhteensopiva internetin kanssa nykyään käyttämiemme tietoliikenneverkkojen kanssa. Tämän tutkimuksen tulokset tarjoavat arvokkaan pohjan käytännön kvanttiverkkoteknologioiden kehittämiselle."

Maailman ensimmäisessä demonstraatiossa tiimi reititti onnistuneesti myös kahden fotonin kietoutuneita tiloja – ratkaisevan tärkeää resurssia kvanttiantureille ja kvanttiverkoille – pitäen samalla interferenssin näkyvyyden noin 97 prosentissa. Tämä osoittaa, että reititin pystyy käsittelemään paitsi yksittäisiä kvanttibittejä myös monimutkaisia monien fotonien lomittumisia – keskeinen vaatimus kvanttiteknologioiden skaalaamiselle.

Verrattuna aiempiin lähestymistapoihin, jotka usein kärsivät suuresta häviöstä, kohinasta tai vääristymästä, tämä uusi ratkaisu yhdistää kaikki käytännön käyttöön tarvittavat kriittiset ominaisuudet: alhaisen häviön, suuren nopeuden, kohinattoman toiminnan ja yhteensopivuuden olemassa olevien tietoliikennekuituverkkojen kanssa.

Aiheesta aiemmin:

Multipleksattu lomittuminen kvanttiverkolle

Kohti kvanttimaista tiedonsiirtoa