Utvecklingen av teknik som kan behandla information baserad på kvantfysikens lagar förutses ha djupgående effekter på det moderna samhället.

Till exempel, kvantdatorer kan vara nyckeln till att lösa problem som är för komplexa för dagens mest kraftfulla superdatorer, och ett kvantinternet kan i slutändan skydda världens information från skadliga attacker.

Dock, alla dessa tekniker är beroende av "kvantinformation, "som vanligtvis kodas i enstaka kvantpartiklar som är extremt svåra att kontrollera och mäta.

Forskare från University of Bristol, i samarbete med Danmarks tekniska universitet (DTU), har framgångsrikt utvecklat chip-skala-enheter som kan utnyttja tillämpningar av kvantfysik genom att generera och manipulera enstaka ljuspartiklar i programmerbara nanoskala kretsar.

Dessa marker kan koda kvantinformation i ljus som genereras inuti kretsarna och kan bearbeta "kvantinformation" med hög effektivitet och extremt lågt brus. Denna demonstration kan möjliggöra en betydande ökning av förmågan att producera mer komplexa kvantkretsar som krävs för kvantberäkning och kommunikation.

Deras arbete, publicerad i tidningen Naturfysik och tillgänglig gratis i förtrycksform på arXiv -förtrycksservern, är värd för en rad kvantdemonstrationer.

I ett av genombrottsexperimenten, forskare vid University of Bristols Quantum Engineering Technology Labs (QET Labs) visar kvantteleportering av information mellan två programmerbara chip för första gången, som de påpekar är en hörnsten i kvantkommunikation och kvantberäkning.

Quantum teleportation erbjuder kvanttillståndsöverföring av en kvantpartikel från en plats till en annan genom att använda sammanfiltring. Teleportation är inte bara användbart för kvantkommunikation utan är en grundläggande byggsten för optisk kvantberäkning. Att etablera en intrasslad kommunikationslänk mellan två marker i labbet har dock visat sig vara mycket utmanande.

Bristol-medförfattaren Dan Llewellyn sa:"Vi kunde demonstrera en högkvalitativ sammanfogningslänk mellan två marker i labbet, där fotoner på båda chippen delar ett enda kvanttillstånd.

"Varje chip var sedan fullt programmerat för att utföra en rad demonstrationer som utnyttjar trasseln.

"Flaggskeppsdemonstrationen var ett två-chip teleportationsexperiment, varigenom det individuella kvanttillståndet för en partikel överförs över de två chipsen efter att en kvantmätning har utförts. Denna mätning använder kvantfysikens konstiga beteende, som samtidigt kollapsar intrasslingslänken och överför partikeltillståndet till en annan partikel som redan finns på mottagarchipet. "

En annan medförfattare, Dr Imad Faruque, även från Bristol, tillade:"Baserat på vårt tidigare resultat av on-chip högkvalitativa enfotonkällor, vi har byggt en ännu mer komplex krets som innehåller fyra källor.

"Alla dessa källor har testats och befunnits vara nästan identiska och avger nästan identiska fotoner, vilket är ett viktigt kriterium för den uppsättning experiment vi hade utfört, till exempel byte av byte. "

Resultaten visade extremt högkvalitativ kvantteleportering på 91 procent. Dessutom, forskarna kunde visa några andra viktiga funktioner i deras design, såsom trasselbyte (krävs för kvantupprepare och kvantnätverk) och fyra-foton GHZ-tillstånd (krävs vid kvantberäkning och kvantinternet).

Enligt medförfattaren Dr Yunhong Ding, från DTU, låg förlust, hög stabilitet, och utmärkt styrbarhet är extremt viktigt för integrerad kvantfotonik. Han sa:"Detta experiment möjliggjordes på grund av den senaste tekniken med låg förlust av kiselfotonik teknik baserad på tillverkning av hög kvalitet vid DTU."

Huvud författare, Dr Jianwei Wang, nu vid Peking University, sade:"I framtiden, en enda Si-chip-integration av kvantfotoniska enheter och klassiska elektroniska kontroller öppnar dörren för fullt chipbaserade CMOS-kompatibla kvantkommunikations- och informationsbehandlingsnätverk. "