Den effektiva genereringen av intrassling mellan avlägsna kvantnoder är ett avgörande steg för att säkra kvantkommunikation. I tidigare forskning, intrassling har ofta uppnåtts med hjälp av ett antal olika probabilistiska system.

Nyligen, vissa studier har också erbjudit demonstrationer av deterministisk fjärrintrassling med hjälp av metoder baserade på supraledande qubits. Ändå, den deterministiska kränkningen av Bells ojämlikhet (ett starkt mått på kvantkorrelation) i en supraledande kvantkommunikationsarkitektur har hittills aldrig påvisats.

Ett team av forskare baserade vid University of Chicago har nyligen visat ett brott mot Bells ojämlikhet med hjälp av fjärranslutna supraledande qubits. Deras papper, publicerad i Naturfysik , introducerar en enkel och ändå robust arkitektur för att uppnå detta benchmarkresultat i ett supraledande system.

"Det finns ett stort intresse och aktivitet för att utveckla experimentella system där kvantmekanik kan användas för informationsbehandling (t.ex. kommunikation, beräkning, etc.) och avkänning, "Andrew Cleland, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Hjärtat i ett kvantinformationssystem är en qubit, och unikhet kommer från kvanttillstånden du kan lagra i den, såväl som de mer komplexa kvanttillstånden du kan lagra med hjälp av flera kvantbitar. Vi var intresserade av att utforska överföringen av kvantinformation och kvanttillstånd - grunderna för kvantkommunikation."

Kvanttillstånd, såväl som informationen som lagras i dem, är otroligt känsliga, mycket mer än klassiska tillstånd och klassiskt lagrad information. Även om teoretiskt, det finns sätt att korrigera fel i ett kvanttillstånd, man kan vanligtvis bara fixa små fel; därav, kommunikationen av ett kvanttillstånd måste göras med mycket hög precision. High fidelity-överföringen av ett kvanttillstånd har hittills uppnåtts med ett begränsat antal metoder.

"Vi ville se om vi kunde använda några av de bästa qubits som finns tillgängliga, supraledande qubits, och de bästa verktygen för att koppla supraledande qubits till kommunikations- (överförings)linjer, för att visa att vi kunde överföra kvanttillstånd med mycket hög precision (d.v.s. trohet), " sa Cleland.

Inom kvantfysik, "guldstandarden" för att testa en viss klass av kvanttillstånd är Bells ojämlikhet. Väsentligen, en specifik uppsättning mätningar av en egenskap hos ett kvanttillstånd (vanligtvis skrivet som "S") kan överstiga ett klassiskt begränsat värde på två endast om kvanttillståndet är förberett, kommuniceras och mäts med hög precision.

"Fel vid förberedelser, sändning eller mätning av kvanttillståndet tenderar att göra tillståndet mer klassiskt, och göra det svårare att överskrida den klassiska gränsen på två, " Cleland förklarade. "Att överskrida denna gräns kallas ett brott mot en Bell-ojämlikhet, och är ett bevis på "kvantitet". Detta var den åtgärd vi ville uppnå, genom att mäta S för ett kvanttillstånd med en mycket exakt generering, överföring, och fånga kvantinformation mellan två kvantbitar. Lyckligt, vi kunde göra det här."

I deras experiment, Cleland och hans kollegor använde två supraledande qubits kopplade till varandra via en cirka 1 meter lång transmissionsledning. Kvantinformationen sändes längs denna linje med hjälp av mikrovågor (liknande radiosignaler), med en frekvens som liknar den mobiltelefoner använder för att kommunicera.

"Väldigt viktigt, vi hade också elektriskt styrda "kopplare" mellan varje qubit och linjen, ", sa Cleland. "Dessa kopplingar är mycket viktiga, eftersom de tillåter oss att kontrollera kopplingen av qubits till linjen mycket snabbt, använder klassiska elektriska signaler."

Dessa elektriskt styrda kopplingar är en nyckelkomponent i forskarnas experiment, eftersom de tillät dem att "forma" kopplingen i tid mycket exakt. Dessa kopplare säkerställde att mikrovågorna som bär kvantinformationen överfördes mellan de två kvantbitarna på exakt rätt sätt. Detta säkerställde i slutändan att kvantinformationen skickades och togs emot med minimala fel.

"Vårt experiment visar att mycket exakt kvantinformation kan skickas längs en kommunikationsväg som är ganska lång, i vårt fall nästan en meter lång, " Cleland förklarade. "Den metod vi använde skulle fungera med vilken längd linje som helst. Detta visar att de teoretiska metoder som hade utarbetats för denna nästan felfria överföring är korrekta, och har ett stort löfte för framtida kvantkommunikationssystem."

Studien utförd av Cleland och hans kollegor introducerade en enkel men effektiv metod för att uppnå en kränkning av Bells ojämlikhet med hjälp av supraledande qubits på avstånd. Dock, eftersom qubits som används i deras experiment kommunicerar med mikrovågor, deras metod fungerar bara vid mycket låga temperaturer. För att kommunicera kvantinformation genom luft, forskarna skulle behöva utveckla nya tekniker som kan uppnå liknande resultat med infrarött eller synligt ljus.

"Vi planerar nu att göra mer komplexa versioner av detta experiment, använder fler qubits och fler transmissionslinjer, att testa mer avancerade teorier för kvantkommunikation och kvantfelskorrigering, ", sa Cleland. "Vi utvecklar också metoder för att försöka göra samma sak med infrarött ljus, så att signalerna kan skickas genom en optisk fiber, eller genom rymden."

© 2019 Science X Network