Ingenjörsforskare har visat princip-bevis för en enhet som kan fungera som ryggraden i ett framtida kvantinternet. University of Toronto Engineering professor Hoi-Kwong Lo och hans medarbetare har utvecklat en prototyp för ett nyckelelement för allfotoniska kvantrepeterare, ett kritiskt steg i kvantkommunikation på långa avstånd.

Ett kvantinternet är "helig gral" för kvantinformationsbehandling, möjliggör många nya applikationer inklusive informationsteoretisk säker kommunikation. Dagens Internet var inte särskilt utformat för säkerhet, och det visar:hacking, inbrott och datorspionage är vanliga utmaningar. Odåliga hackare sticker ständigt hål i sofistikerade försvarslager som byggts upp av individer, företag och regeringar.

I ljuset av detta, forskare har föreslagit andra sätt att överföra data som skulle kunna utnyttja nyckelfunktionerna i kvantfysiken för att ge praktiskt taget oförstörbar kryptering. En av de mest lovande teknikerna innefattar en teknik som kallas quantum key distribution (QKD). QKD utnyttjar det faktum att den enkla handlingen att avkänna eller mäta tillståndet för ett kvantsystem stör det systemet. På grund av detta, varje avlyssning från tredje part skulle lämna ett tydligt spårbart spår, och kommunikationen kan avbrytas innan känslig information går förlorad.

Tills nu, denna typ av kvantsäkerhet har visats i småskaliga system. Lo och hans team är bland en grupp forskare runt om i världen som lägger grunden för ett framtida kvantinternet genom att arbeta för att ta itu med några av utmaningarna med att överföra kvantinformation över stora avstånd, använder optisk fiberkommunikation.

Eftersom ljussignaler förlorar styrka när de färdas långa sträckor genom fiberoptiska kablar, enheter som kallas repeatrar sätts in med jämna mellanrum längs linjen. Dessa repeatrar förstärker och förstärker signalerna för att hjälpa till att överföra informationen längs linjen.

Men kvantinformation är annorlunda, och befintliga repeaters för kvantinformation är mycket problematiska. De kräver lagring av kvanttillståndet på repeaterplatserna, gör repeterarna mycket mer felbenägna, svårt att bygga, och mycket dyra eftersom de ofta fungerar vid kryogena temperaturer.

Lo och hans team har föreslagit ett annat tillvägagångssätt. De arbetar med utvecklingen av nästa generations repeaters, kallas allfotoniska kvantrepeterare, som skulle eliminera eller minska många av bristerna i standardkvantupprepare. Med samarbetspartners vid Osaka University, Toyama University och NTT Corporation i Japan, Lo och hans team har visat proof-of-concept för sitt arbete i en tidning som nyligen publicerades i Naturkommunikation .

"Vi har utvecklat helt fotoniska repeaters som tillåter tidsomvänd adaptiv Bell-mätning, "säger Lo." Eftersom dessa repeaters är helt optiska, de erbjuder fördelar som traditionell-kvantminnesbaserad materia-upprepare inte gör. Till exempel, denna metod skulle kunna fungera vid rumstemperatur."

Ett kvantinternet skulle kunna erbjuda applikationer som är omöjliga att implementera i det konventionella internet, såsom ogenomtränglig säkerhet och kvantteleportering.

"Ett helt optiskt nätverk är en lovande form av infrastruktur för snabb och energieffektiv kommunikation som krävs för ett framtida kvantinternet, "säger Lo." Vårt arbete hjälper till att bana väg mot denna framtid. "