Forskare vid Kastler Brossel-laboratoriet i Paris har lyckats implementera ett nytt "hybrid" protokoll för att byta förveckling, att göra anslutningen av olika plattformar inom räckhåll i en framtid, heterogent uppbyggd, kvantinternet.

Den 29 maj ^th nätnummer av Vetenskapliga framsteg , Prof. Julien Laurat och hans kollegor vid LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France), med medarbetare på NIST Boulder, har aviserat ett viktigt steg mot utvecklingen av heterogena kvantnätverk. Teamet har visat ett sätt att koppla ihop olika typer av kvantnoder som inte nödvändigtvis är baserade på samma typ av kodning. Att möjliggöra en sådan typ av länk är ett avgörande krav för sammankopplingen av olika fysiska plattformar som kan utföra dedikerade kvantförstärkta uppgifter.

Kvantnätverk är sammansatta av kvantsystem som är belägna vid avlägsna noder och anslutna via icke-klassiska korrelationer som kallas entanglement - den "läskiga handlingen på avstånd." De tros överträffa nuvarande klassiska nätverk i uppgifter som sträcker sig från kvantsäker kommunikation till förbättrade mätningar. På samma sätt som klassiska nätverk, där information kan kodas i två distinkta digitala eller analoga kodningar beroende på vilka uppgifter som är aktuella, kvantnätverk kan förlita sig på två typer av kodningar, såsom exemplifieras av partikel-vågdualiteten. Å ena sidan, sida en kan gynna partikelkaraktären hos kvantbitarna (eller qubits) i en kodning som liknar den digitala, och hänvisas till som "diskret-variabel". Å andra sidan, man kanske föredrar att använda "kontinuerlig-variabel, "analogliknande, kodning som kommer från partiklarnas vågiga natur - en välkänd konsekvens av kvantmekaniken.

I kvantnätverk, anslutningen av avlägsna noder utförs av en specifik operation som kallas entanglement swapping. Denna procedur gör det möjligt att ansluta system som aldrig har interagerat tidigare genom att använda en specialiserad mätning mellan två andra resurser som är sammanfogade separat med de involverade systemen. Denna operation, känd som Bell-state-mätning, överför effektivt - eller "teleporterar" - intrasslingen till de slutliga systemen. Dock, på grund av förvecklingens bräcklighet, Att implementera ett protokoll som är så centralt för upprättandet av kvantkopplingar är en verklig utmaning för fysiker. För att uppnå överföringen av intrassling och kopplingen mellan olika typer av noder, två höggradigt intrasslade tillstånd måste produceras - särskilt ett "hybridtrasslat" tillstånd mellan partikelliknande och vågliknande qubits. Teamet på LKB har framgångsrikt spridit sig, från dessa två källor, intrassling mellan olika ljustillstånd som aldrig direkt interagerade.

"Detta arbete är en språngbräda för ytterligare undersökningar av implementeringen av heterogena kvantnätverk, säger Tom Darras, en doktorand vid LKB och en av tidningens ledande författare. "Än så länge, två samhällen utvecklade kvantkommunikation med olika vägar. Nu när bron har byggts, vi förväntar oss att se, genom att använda fördelarna med varje gren, uppkomsten av nya hybridscenarier som går mycket längre än den nuvarande utvecklingen."

De två optiska intrasslade tillstånden som är involverade i experimentet är konstruerade med hjälp av optiska parametriska oscillatorer, som är effektiva icke-linjära källor. Ett intrasslat tillstånd erhålls genom att "dela" en enda foton mellan två olika banor, utan att veta vilken väg som följs. Den andra är ett "hybrid-entangled" tillstånd mellan en diskret-variabel optisk qubit och en kontinuerlig-variabel Schrödinger cat optisk qubit - hänvisar till Schrödingers Gekanden-experiment som kopplar ett makroskopiskt objekt till ett kvantsystem. När en intrassling har genererats genom en förebådande process, den byts sedan ut via en unik hybrid Bell-state-mätning. Författarna har genomfört varje steg i denna demonstration, från att skapa de första intrasslade tillstånden till att helt karakterisera intrasslingen efter byteoperationen.

"Den fullständiga teamets expertis inom teknisk förveckling, kopplat till toppmoderna verktyg för generering och karakterisering av kvanttillstånd, var avgörande för framgången för protokollet", tillägger Giovanni Guccione, en Marie Curie postdoktor som också är en av de ledande författarna till studien.

Förutom skapandet av en länk mellan olika användare, experimentet är ett viktigt steg mot att bygga skalbara nätverk. "Trassel är en i sig bräcklig resurs som innebär att dess fördelning över större avstånd utgör en betydande utmaning" konstaterar Adrien Cavaillès, postdoktor och motsvarande författare till uppsatsen. "Eftersom det utökar det tillgängliga utbudet av distribution, Entanglement swapping-protokollet som utförs av gruppen är en avgörande förmåga för framtida storskaliga hybridkvantnätverk."

Arbetet rapporterade i Vetenskapliga framsteg är en stor framgång mot sammankopplingen av olika fysiska plattformar. Dock, forskarna betonar också att "även om möjligheten att ansluta kvantnoder av olika slag nu är till hands, anslutningen är för närvarande endast begränsad till optiska system, och måste utvidgas till många andra fysiska plattformar." Ett fullt fungerande heterogena kvantnätverk kräver fortfarande betydande framsteg i konstruktionen och överföringen av intrassling mellan olika materiesystem.

Denna demonstration bygger på de tidigare framstegen i Prof. Laurats grupp under de senaste åren, från den första demonstrationen av hybrid intrassling mellan partikelliknande och vågliknande qubits till konstruktionen av hybridtillstånd och deras användning i kvantinformationsprotokoll, antingen för förberedelse för fjärrtillstånd eller säkerhetscertifiering.

De andra författarna är Hanna Le Jeannic, en tidigare doktorand vid LKB, Varun B. Verma och Sae Woo Nam, medarbetare på NIST Boulder. Detta arbete har fått stöd av Europeiska forskningsrådet, den franska nationella forskningsbyrån (projekt Hy-Light), Sorbonne Université och Région Ile-de-France inom ramen för DIM Sirteq.

Titeln på uppsatsen är "Connecting Heterogeneous Quantum Networks by Hybrid Entanglement Swapping." Den är tillgänglig den 29 maj ^th onlineutgåva av Vetenskapliga framsteg .