Kvantkommunikation, till skillnad från sin klassiska motsvarighet, använder kvantmekanikens principer för att överföra information. Detta erbjuder en betydande potential för säkra kommunikationsmetoder och har fångat vetenskapssamhällets uppmärksamhet. Kvantinformation är dock till sin natur bräcklig och benägen för fel, främst på grund av interaktioner med omgivningen.
Quantum error correction (QEC) har föreslagits som en lösning på dessa utmaningar. Genom att införliva redundanta qubits i den överförda informationen och utföra specifika operationer kan QEC-tekniker upptäcka och korrigera fel som kan uppstå under överföringen. Den konventionella metoden för QEC involverar dock komplexa multi-qubit-interaktioner som kräver exakt kontroll och realtidsåterkoppling, vilket ansågs vara betydande hinder för dess implementering.
I sin studie lyckades Dr Simmons och hennes kollegor övervinna dessa utmaningar genom ett nytt tillvägagångssätt som involverar ett hybridkvantklassiskt system. De realiserade QEC genom att interfoliera kvantberäkningar i solid-state qubits med klassisk beräkning på en fältprogrammerbar gate array (FPGA). Denna inställning möjliggjorde felkorrigering i realtid medan kvantinformationen överfördes.
Teamet implementerade ett QEC-protokoll känt som tre-qubit-koden. Detta protokoll kräver tre fysiska qubits för att koda en enda qubit av kvantinformation. Genom att utnyttja FPGA för realtidsövervakning upptäcktes och korrigerades fel i realtid, vilket bevarade integriteten hos den överförda kvantinformationen.
Demonstrationen av QEC i realtid är ett stort genombrott inom kvantkommunikation. Det banar väg för utvecklingen av mer tillförlitliga kvantkommunikationsnätverk, som skulle kunna utgöra grunden för ultrasäkra kommunikationsprotokoll och framsteg inom kvantberäkning och kvantavkänning.
För att bättre förstå betydelsen av denna prestation, låt oss gräva djupare in i implikationerna och potentiella tillämpningar av realtids-QEC i kvantkommunikation:
1. Säker kommunikation:Kvantkommunikation erbjuder löftet om okrossbara kommunikationskanaler, särskilt i scenarier som involverar utbyte av känslig information eller diplomatisk kommunikation. Att skydda överföringen av kvantinformation från fel och avlyssningsförsök är dock avgörande för att realisera kvantnätverkens fulla potential. Realtids-QEC förbättrar säkerheten för kvantkommunikation genom att upptäcka och korrigera fel som kan uppstå från brus och andra negativa effekter.
2. Quantum Computing:Utvecklingen av kvantdatorer har fått stor uppmärksamhet på grund av deras potential för exponentiell snabbhet för att lösa komplexa beräkningsproblem som för närvarande är svårlösta med klassiska datorer. Kvantdatorer är dock extremt känsliga för fel, vilket begränsar deras praktiska tillämpningar. Möjligheten att utföra QEC i realtid öppnar nya möjligheter för att uppnå tillförlitlig kvantberäkning genom att adressera och mildra fel när de uppstår under beräkningar.
3. Kvantavkänning:Kvantsensorer använder kvantfenomen för att mäta fysikaliska egenskaper med exceptionell känslighet, som vida överträffar klassiska sensorer. Realtids-QEC kan förbättra noggrannheten och precisionen hos kvantsensorer genom att minimera påverkan av miljöbrus och andra felkällor som kan äventyra mätresultaten. Detta kan möjliggöra framsteg inom områden som biomedicinsk avkänning, mikroskopi och gravitationsvågdetektering.
4. Kvantmetrologi:Kvantmetrologi utnyttjar kvantprinciper för att förbättra precisionen i olika mätningar, såsom tidtagning, avståndsmätningar och magnetfältsavkänning. Realtids-QEC kan mildra effekterna av dekoherens och oprecision, vilket möjliggör mycket exakta mätningar och förbättrad prestanda för kvantmetrologiska enheter.
Sammanfattningsvis representerar demonstrationen av kvantfelskorrigering i realtid av fysiker vid UNSW en betydande milstolpe inom området kvantkommunikation. Genom att övervinna de utmaningar som är förknippade med konventionella QEC-metoder, har detta genombrott lovande för utvecklingen av säkrare kvantkommunikationsnätverk och framsteg inom kvantberäkning, kvantavkänning, kvantmetrologi och relaterade teknologier.
