Ett kvantinternet kan användas för att skicka ohackabla meddelanden, förbättra GPS -noggrannheten, och möjliggöra molnbaserad kvantberäkning. I mer än tjugo år har drömmar om att skapa ett sådant kvantnätverk har i stor utsträckning varit utom räckhåll på grund av svårigheten att skicka kvantsignaler över stora avstånd utan förlust.

Nu, Harvard- och MIT -forskare har hittat ett sätt att korrigera för signalförlust med en prototyp kvantnod som kan fånga, lagra och trassla in bitar av kvantinformation. Forskningen är den saknade länken mot ett praktiskt kvantinternet och ett stort steg framåt i utvecklingen av långväga kvantnätverk.

"Denna demonstration är ett konceptuellt genombrott som kan utöka det längsta möjliga utbudet av kvantnätverk och möjligen möjliggöra många nya applikationer på ett sätt som är omöjligt med befintlig teknik, "sade Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett professor i fysik och meddirektör för Harvard Quantum Initiative. "Detta är förverkligandet av ett mål som vårt kvantvetenskapliga och tekniska samhälle har strävat efter i mer än två decennier."

Forskningen publiceras i Natur .

Varje form av kommunikationsteknik - från den första telegrafen till dagens fiberoptiska internet - har tvingats ta itu med att signaler försämras och går förlorade när de överförs över avstånd. De första repeterarna, som tar emot och förstärker signaler för att korrigera för denna förlust, utvecklades för att förstärka blekande trådtelegrafsignaler i mitten av 1800-talet. Tvåhundra år senare, repeaters är en integrerad del av vår långväga kommunikationsinfrastruktur.

I ett klassiskt nätverk, om Alice i New York vill skicka ett meddelande till Bob i Kalifornien, meddelandet färdas från kust till kust i mer eller mindre en rak linje. Längs vägen, signalen passerar genom repeaters, där den läses, förstärks och korrigeras för fel. Hela processen är när som helst sårbar för attacker.

Om Alice vill skicka ett kvantmeddelande, dock, processen är annorlunda. Kvantnätverk använder kvantpartiklar av ljus - enskilda fotoner - för att kommunicera kvanttillstånd för ljus över långa avstånd. Dessa nätverk har ett trick som klassiska system inte gör:intrassling.

Förträngning - vad Einstein kallade "spöklik handling på avstånd" - gör att bitar av information kan korreleras perfekt över alla avstånd. Eftersom kvantsystem inte kan observeras utan att förändras, Alice kan använda trassel för att meddela Bob utan att vara rädd för avlyssning. Denna uppfattning är grunden för tillämpningar såsom kvantkryptografi - säkerhet som garanteras av kvantfysikens lagar.

Kvantkommunikation över långa sträckor, dock, påverkas också av konventionella fotonförluster, vilket är ett av de största hindren för att förverkliga storskaligt kvantinternet. Men, samma fysiska princip som gör kvantkommunikation extremt säker gör det också omöjligt att använda befintliga, klassiska repeaters för att åtgärda informationsförlust.

Hur kan du förstärka och korrigera en signal om du inte kan läsa den? Lösningen på denna till synes omöjliga uppgift innebär en så kallad kvantrepeterare. Till skillnad från klassiska repeaters, som förstärker en signal genom ett befintligt nätverk, kvantupprepare skapar ett nätverk av intrasslade partiklar genom vilka ett meddelande kan överföras.

I huvudsak, en kvantrepeterare är en liten, speciell kvantdator. I varje steg i ett sådant nätverk, kvantupprepare måste kunna fånga och bearbeta kvantbitar av kvantinformation för att korrigera fel och lagra dem tillräckligt länge för att resten av nätverket ska vara klart. Tills nu, det har varit omöjligt av två skäl:För det första, enstaka fotoner är mycket svåra att fånga. Andra, kvantinformation är notoriskt bräcklig, vilket gör det mycket utmanande att bearbeta och lagra under lång tid.

Lukins laboratorium, i samarbete med Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS),

Hongkun Park, Mark Hyman Jr. professor i kemi vid Harvard -fakulteten för konst och vetenskap (FAS), och Dirk Englund, Docent i elektroteknik och datavetenskap vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), har arbetat med att utnyttja ett system som kan utföra båda dessa uppgifter bra-färgcentra i kisel-vakans i diamanter.

Dessa centra är små defekter i en diamants atomstruktur som kan absorbera och utstråla ljus, ger upphov till en diamants lysande färger.

"Under de senaste åren har våra laboratorier har arbetat med att förstå och kontrollera enskilda färgcentra för kisel vakans, särskilt kring hur man använder dem som kvantminnesenheter för enstaka fotoner, "sa Mihir Bhaskar, en doktorand i Lukin -gruppen.

Forskarna integrerade ett individuellt färgcentrum i en nanofabricerad diamanthålighet, som begränsar de informationsbärande fotonerna och tvingar dem att interagera med det enda färgcentret. De placerade sedan enheten i ett utspädningskylskåp, som når temperaturer nära absolut noll, och skickade individuella fotoner genom fiberoptiska kablar till kylskåpet, där de fångades och fångades effektivt av färgcentret.

Enheten kan lagra kvantinformationen i millisekunder - tillräckligt lång för att information ska transporteras över tusentals kilometer. Elektroder inbäddade runt hålrummet användes för att leverera styrsignaler för att bearbeta och bevara informationen som lagras i minnet.

"Den här enheten kombinerar de tre viktigaste elementen i en kvantrepeterare - ett långt minne, förmågan att effektivt fånga information från fotoner, och ett sätt att bearbeta det lokalt, "sa Bart Machielse, en doktorand i laboratoriet för nanoskalaoptik. "Var och en av dessa utmaningar har behandlats separat men ingen enhet har kombinerat alla tre."

"För närvarande, vi arbetar för att utöka denna forskning genom att använda våra kvantminnen i verkligheten, urban fiberoptiska länkar, "sa Ralf Riedinger, en postdoktor i Lukin -gruppen. "Vi planerar att skapa stora nätverk av sammanflätade kvantminnen och utforska de första tillämpningarna av kvantinternet."

"Detta är den första demonstrationen på systemnivå, kombinerar stora framsteg inom nanofabrication, fotonik och kvantkontroll, som visar tydliga kvantfördelar med att kommunicera information med hjälp av kvantrepeaternoder. Vi ser fram emot att börja utforska nya, unika applikationer som använder dessa tekniker, sa Lukin.