I en ny studie publicerad i Natur , ICFO -forskare under ledning av ICREA Prof. Hugues de Riedmatten rapporterar en elementär "hybrid" kvantnätlänk och visar fotonisk kvantkommunikation mellan två distinkta kvantnoder placerade i olika laboratorier, med en enda foton som informationsbärare.

I dag, kvantinformationsnätverk ökar för att bli en störande teknik som kommer att ge radikalt nya möjligheter för informationsbehandling och kommunikation. Ny forskning tyder på att denna kvantnätrevolution kan vara precis runt hörnet.

Nyckelelementen i ett kvantinformationsnätverk är informationstekniska kvantnoder som består av materiesystem som kalla atomgaser eller dopade fasta ämnen, och kommunicerar partiklar, främst fotoner. Medan fotoner verkar vara perfekta informationsbärare, det finns fortfarande osäkerhet om vilket materiesystem som kan användas som nätverksnod, eftersom varje system har olika funktioner. Därför, implementeringen av ett hybridnät har föreslagits, söker för att kombinera de bästa funktionerna hos olika materialsystem.

Tidigare studier har dokumenterat tillförlitliga överföringar av kvantinformation mellan identiska noder, men detta är första gången detta någonsin har uppnåtts med ett "hybrid" nätverk av noder. ICFO -forskarna har utvecklat en lösning och löst utmaningen med en tillförlitlig överföring av kvanttillstånd mellan olika kvantnoder via enstaka fotoner. En enda foton behöver interagera starkt och i en bullerfri miljö med de heterogena noder eller materiesystem, som i allmänhet fungerar vid olika våglängder och bandbredder. Som Nicolas Maring säger "det är som att ha noder som talar på två olika språk. För att de ska kunna kommunicera, det är nödvändigt att konvertera den enskilda fotonens egenskaper så att den effektivt kan överföra all information mellan dessa olika noder. "

Hur löste de problemet?

I deras studie, ICFO-forskarna använde två mycket distinkta kvantnoder:den utsändande noden var ett laserkyld moln av Rubidium-atomer och den mottagande noden en kristall dopad med Praseodymium-joner. Från den kalla gasen, de genererade en kvantbit (qubit) kodad i en enda foton med en mycket smal bandbredd och en våglängd på 780 nm. De konverterade sedan fotonen till våglängden 1552 nm för att visa att detta nätverk kan vara helt kompatibelt med det aktuella C-bandområdet för telekom. Senare, de skickade den via en optisk fiber från ett laboratorium till det andra. En gång i det andra labbet, fotonens våglängd konverterades till 606 nm för att interagera korrekt och överföra kvanttillståndet till den mottagande dopade kristallnoden. Vid interaktion med kristallen, den fotoniska qubit lagrades i kristallen i ungefär 2,5 mikrosekunder och hämtades med mycket hög trohet.

Resultaten av studien visar att två mycket olika kvantsystem kan anslutas och kommunicera med hjälp av en enda foton. ICREA Prof på ICFO Hugues de Riedmatten säger, "Att kunna ansluta kvantnoder med mycket olika funktioner och funktioner och överföra kvantbitar med hjälp av enstaka fotoner mellan dem utgör en viktig milstolpe i utvecklingen av hybridkvantnät." Möjligheten att utföra fram och tillbaka-konvertering av fotoniska qubits vid telekom-C-bandets våglängd visar att dessa system skulle vara helt kompatibla med de nuvarande telekomnäten.

Fördelar med Quantum kontra klassiska informationsnätverk

World Wide Web utvecklades på 1980 -talet, med information som flödar genom nätverket med hjälp av bitar som bearbetas och moduleras av elektroniska kretsar och chips och överförs av ljuspulser som förflyttar information genom nätverket med minimala signalförluster via optiska fibrer.

Istället för att använda de klassiska bitarna, kvantinformationsnätverk skulle bearbeta och lagra kvantinformation genom kvantbitar eller "qubits". Även om bitar kan vara nollor eller enor, qubits finns i en superposition av dessa två stater. I ett kvantnätverk, de genereras och bearbetas av kvantämnesystem, t.ex. kalla atomgaser, dopade fasta ämnen eller andra system. I motsats till klassiska nätverk, kvantinformation överförs mellan noderna med hjälp av enstaka fotoner istället för starka ljuspulser.

Kvantinformationsnätverk (bestående av materiens kvantnoder och kvantkommunikationskanaler) öppnar en ny väg för störande teknik, möjliggör, till exempel, helt säker dataöverföring, förbättrad databehandling via distribuerad kvantberäkning eller avancerade klocksynkroniseringsapplikationer, bland andra.