Kvantkommunikation – där information skickas genom partiklar, typiskt intrasslade fotoner – har potential att bli den ultimata säkra kommunikationskanalen. Det är inte bara nästan omöjligt att avlyssna kvantkommunikation, de som försöker lämnar också bevis på sina indiskretioner.

Dock, skickar kvantinformation via fotoner över traditionella kanaler, såsom fiberoptiska linjer, är svårt:fotonerna som bär informationen är ofta skadade eller förlorade, gör signalerna svaga eller osammanhängande. Ofta måste ett meddelande skickas flera gånger för att säkerställa att det gick igenom.

I ett nytt papper, forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago har demonstrerat en ny kvantkommunikationsteknik som helt och hållet kringgår dessa kanaler. Genom att länka två kommunikationsnoder med en kanal, de visar att denna nya teknik kan skicka information kvantmekaniskt mellan noderna – utan att någonsin ockupera länkkanalen.

Forskningen, ledd av prof. Andrew Cleland och publicerades den 17 juni i tidskriften Fysiska granskningsbrev , drar fördel av det spöklika kvantfenomenet med intrassling mellan de två noderna och visar en potentiell ny riktning för framtiden för kvantkommunikation.

Forskningen ansluter sig till en andra nyligen publicerad artikel, där Clelands grupp trasslade in två fononer - ljudets kvantpartiklar - för första gången, öppna dörren för potentiell ny teknik.

"Båda tidningarna representerar ett nytt sätt att närma sig kvantteknologi, sa Cleland, John A. MacLean Sr. professor i molekylär teknik vid Pritzker Molecular Engineering och senior vetenskapsman vid Argonne National Laboratory. "Vi är spända på vad dessa resultat kan betyda för framtiden för kvantkommunikation och solid-state kvantsystem."

Spöklik kvantkommunikation

Intrasslade fotoner och fononer trotsar intuitionen:dessa partiklar kan vara kvantmekaniskt intrasslade, en förveckling som kan överleva över stora avstånd. En förändring i en partikel framkallar sedan spöklikt en förändring i den andra. Kvantkommunikation drar fördel av detta fenomen genom att koda information i partiklarna.

Cleland ville hitta en metod för att skicka kvantinformation utan att förlora den i överföringen. Han och hans team, inklusive PME-studenten Hung-Shen Chang, utvecklat ett system som trasslade in två kommunikationsnoder med mikrovågsfotoner – samma fotoner som används i din mobiltelefon – genom en mikrovågskabel. För detta experiment, de använde en mikrovågskabel som var ungefär en meter lång. Genom att slå på och stänga av systemet på ett kontrollerat sätt, de kunde kvanttrassla de två noderna och skicka information mellan dem – utan att någonsin behöva skicka fotoner genom kabeln.

"Vi överförde information över en enmeterskabel utan att skicka några fotoner för att göra detta, en ganska läskig och ovanlig prestation, " sa Cleland. "I princip, detta skulle också fungera över en mycket längre sträcka. Det skulle vara mycket snabbare och mer effektivt än system som skickar fotoner genom fiberoptiska kanaler."

Även om systemet har begränsningar måste det förvaras väldigt kallt, vid temperaturer några grader över absoluta nollpunkten – det skulle potentiellt kunna fungera i rumstemperatur med atomer istället för fotoner. Men Clelands system ger mer kontroll, och han och hans team genomför experiment som skulle trassla ihop flera fotoner i ett mer komplicerat tillstånd.

Intrasslande fononer med samma teknik

Intrasslade partiklar är inte bara begränsade till fotoner eller atomer, dock. I en andra artikel publicerad 12 juni i tidskriften Fysisk granskning X , Cleland och hans team trasslade in två fononer – ljudets kvantpartikel – för första gången någonsin.

Använda ett system byggt för att kommunicera med fononer, liknande fotonkvantkommunikationssystemet, laget, inklusive tidigare postdoktor Audrey Bienfait, intrasslade två mikrovågsfononer (som har ungefär en miljon gånger högre tonhöjd än vad som kan höras med det mänskliga örat).

När fononerna väl var intrasslade, laget använde en av fononerna som en "herald, " som användes för att påverka hur deras kvantsystem använde den andra fononen. Herolden tillät teamet att utföra ett så kallat "quantum eraser"-experiment, där information raderas från en mätning, även efter att mätningen är klar.

Även om fononer har många nackdelar jämfört med fotoner - till exempel, de tenderar att vara kortare - de interagerar starkt med ett antal fasta kvantsystem som kanske inte interagerar starkt med fotoner. Phonons kan ge ett bättre sätt att koppla till dessa system

"Det öppnar ett nytt fönster i vad du kan göra med kvantsystem, kanske liknar gravitationsvågsdetektorer, som också använder mekanisk rörelse, har öppnat ett nytt teleskop på universum, " sa Cleland.