Multipleksattu lomittuminen kvanttiverkolle

Caltechin insinöörit ovat luoneet pohjan tulevaisuuden kvanttiviestintäjärjestelmille, ja he ovat osoittaneet kaksisolmusen kvanttiverkon onnistuneen toiminnan, joista kukin sisältää useita kubitteja.

Tämän saavuttamiseksi tutkijat kehittivät uuden protokollan kvantti-informaation jakamiseen rinnakkain, luoden tehokkaasti useita kanavia datan siirtoon tai multipleksointiin.

Työ tehtiin upottamalla ytterbiumatomeja kiteiden sisään ja kytkemällä ne optisiin onteloihin - nanomittakaavan rakenteisiin, jotka vangitsevat ja ohjaavat valoa. Tällä alustalla on ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka tekevät siitä ihanteellisen useiden kubittien käyttämiseen kvantti-informaatiota kantavien fotonien rinnakkaiseen lähettämiseen.

"Tämä on ensimmäinen osoitus lomittumisen multipleksoinnista yksittäisten spin-kubittien kvanttiverkossa", sanoo Andrei Faraon, soveltavan fysiikan ja sähkötekniikan professori. "Tämä menetelmä lisää merkittävästi solmujen välistä kvanttiviestinnän nopeutta, mikä edustaa suurta harppausta alalla."

Kvanttiviestinnässä tavoitteena on käyttää lomittuneita atomeja kubitteina kvantti-informaation jakamiseen tai teleportointiin. Keskeinen haaste, joka on toistaiseksi rajoittanut tiedonsiirtonopeuksia, on kubittien valmisteluun ja fotonien lähettämiseen kuluva aika.

”Lomittumisen multipleksoinnilla päästään eroon tästä pullonkaulasta käyttämällä useita kubitteja prosessoria tai solmua kohden. Valmistelemalla kubitteja ja lähettämällä fotoneja samanaikaisesti, lomittumisnopeutta voidaan skaalata suhteessa kubittien määrään", Andrei Ruskuc sanoo.

Järjestelmän kaksi solmua ovat nanorakenteita, jotka on valmistettu yttriumortovanadaatin (YVO4) kiteistä. Lasereja käytetään näissä kiteissä olevien ytterbiumatomien (Yb3+), virittämiseen, jolloin jokainen atomi emittoi fotonin, joka pysyy lomittuneena atomiinsa. Kahden erillisen solmun atomeista peräisin olevat fotonit kulkevat sitten keskittimeen, jossa ne havaitaan. Tämä tunnistusprosessi laukaisee kvanttikäsittelyprotokollan, joka johtaa lomittuneiden tilojen luomiseen ytterbiumin atomiparien välille.

Jokaisessa solmussa on useita ytterbiumatomeja YVO4-kiteessä, joten käytettävissä on runsaasti kubitteja. Jokaisella näistä atomeista on kuitenkin hieman erilainen optinen taajuus, joka johtuu kiteen sisällä olevista epätäydellisyyksistä.

"Tämä on kuin kaksiteräinen miekka", Ruskuc sanoo. Toisaalta erilaiset taajuudet antavat tutkijoille mahdollisuuden hienosäätää laseriaan kohdistumaan tiettyihin atomeihin. Toisaalta tiedemiehet uskoivat aiemmin, että vastaavat erot fotonien taajuuksissa tekisivät mahdottomaksi luoda lomittuneita kubittitiloja.

"Siinä protokollamme astuu esiin. Se on innovatiivinen tapa luoda atomien lomittuneita tiloja, vaikka niiden optiset siirtymät olisivat erilaisia", Ruskuc vakuuttaa.

Uudessa protokollassa atomit käyvät läpi eräänlaisen räätälöidyn kvanttikäsittelyn reaaliajassa, kun fotonit havaitaan keskittimessä. Tutkijat kutsuvat tätä käsittelyä "kvantti eteensyötön ohjaukseksi". "quantum feed-forward control."

"Periaatteessa protokollamme ottaa nämä fotonin saapumisajasta saamansa informaation ja käyttää kvanttipiiriä: sarjaa logiikkaportteja, jotka on räätälöity kahdelle kubitille. Ja kun olemme soveltaneet tätä piiriä, jäämme lomittuneeseen tilaan", Ruskuc selittää.

Ryhmän YVO4-alustalle mahtuu monia kubitteja – tässä työssä jokainen solmu sisälsi noin 20. "Mutta saattaa olla mahdollista lisätä tätä määrää ainakin suuruusluokalla", sanoo toinen kirjoittaja Wu.

"Harvinaisten maametallien ionien ainutlaatuiset ominaisuudet yhdistettynä demonstroituun protokollamme tasoittaa tietä verkoille, joissa on satoja kubitteja solmua kohti", Faraon sanoo. "Uskomme, että tämä työ luo vankan perustan korkean suorituskyvyn kvanttiviestintäjärjestelmille, jotka perustuvat harvinaisten maametallien ioneihin."

Aiheesta aiemmin:

Kvanttilomittumista nanomitoissa ja valonlähteitä kvanttiteknologialle

Tuovatko fononi ja fotoni kvantti-internetin?