Hur överför man tillförlitligt kvantinformation när de anslutande kanalerna påverkas av skadligt brus? Forskare vid universitetet i Innsbruck och TU Wien (Wien) har presenterat nya lösningar på detta problem.

Numera kommunicerar vi via radiosignaler och skickar elektriska pulser genom långa kablar. Detta kan ändras snart, dock:Forskare har arbetat intensivt med att utveckla metoder för överföring av kvantinformation. Detta skulle möjliggöra trycksäker dataöverföring eller, en dag, även kopplingen av kvantdatorer.

Kvantinformationsöverföring kräver tillförlitlig informationsöverföring från ett kvantsystem till det andra, vilket är extremt svårt att uppnå. Oberoende av, två forskarlag – ett vid universitetet i Innsbruck och det andra vid TU Wien (Wien) – har nu utvecklat ett nytt kvantkommunikationsprotokoll. Detta protokoll möjliggör tillförlitlig kvantkommunikation även vid närvaro av kontaminerande brus. Båda forskargrupperna arbetar med samma grundkoncept:Att göra protokollet immunt mot buller, de lägger till ett extra element, en så kallad kvantoscillator, i båda ändarna av kvantkanalen.

Tillförlitlig dataöverföring

Forskare har genomfört kvantkommunikationsexperiment under lång tid. "Forskare presenterade ett kvantteleportationsprotokoll redan på 1990-talet. Det tillåter överföring av tillståndet för ett kvantsystem till ett annat genom att använda optiska fotoner, säger Benoit Vermersch, Postdoc i Peter Zollers grupp vid universitetet i Innsbruck. Detta fungerar också över stora avstånd, men man måste acceptera att många av fotonerna går förlorade och endast en liten bråkdel når detektorn.

"Vårt mål var att hitta ett sätt att på ett tillförlitligt sätt överföra ett kvanttillstånd från en plats till en annan utan att behöva göra det flera gånger för att få det att fungera, " förklarar Peter Rabl från Atominstitutet, TU Wien.

Supraledande qubits, särskilt, är lovande element för framtida kvantteknologier. De är små kretsar som kan anta två olika tillstånd samtidigt. I motsats till konventionella ljusbrytare som antingen kan slås på eller stängas av, kvantfysikens lagar tillåter en qubit att anta vilken kombination som helst av dessa tillstånd, som kallas kvantsuperposition.

För att överföra detta kvanttillstånd från en supraledande qubit till en annan krävs mikrovågsfotoner, som redan används för klassisk signalöverföring. Tillförlitlig överföring av kvantinformation via en mikrovågsregim har ansetts vara omöjlig eftersom det konstanta termiska bruset helt överlagrar den svagare kvantsignalen.

Nytt överföringsprotokoll

De två forskargrupperna har nu visat att dessa hinder inte är omöjliga att övervinna som tidigare antagits. I samarbete med team från Harvard och Yale (USA) har de kunnat utveckla ett överföringsprotokoll som är immunt mot det oundvikliga bruset.

"Vårt tillvägagångssätt är att lägga till ett annat kvantsystem - en mikrovågsoscillator - som en mediator i båda ändarna av protokollet för att koppla qubits istället för att koppla dem direkt till mikrovågskanalen eller vågledaren, " förklarar Rabl.

"Vi kan inte förhindra det termiska bruset som utvecklas i kvantkanalen, " säger Benoit Vermersch. "Vad som är viktigt är att detta brus påverkar båda oscillatorerna i båda ändarna på samma sätt. Därför, vi kan exakt separera den skadliga effekten av bruset från den svagare kvantsignalen genom exakt koppling till vågledaren."

"Enligt våra beräkningar, vi kan ansluta qubits över flera hundra meter med detta protokoll, ", säger Peter Rabl. "Vi skulle fortfarande behöva kyla kanalerna men på lång sikt kommer det att vara tekniskt möjligt att länka samman byggnader eller till och med städer på ett kvantfysiskt sätt via mikrovågskanaler."