Forskare från Sorbonne University i Paris har uppnått en mycket effektiv överföring av kvantintrassling in i och ut ur två kvantminnesenheter. Denna prestation ger en nyckelingrediens för skalbarheten av ett framtida kvantinternet.

Ett kvantinternet som kopplar samman flera platser är ett nyckelsteg i kvantteknikens färdplaner över hela världen. I detta sammanhang, European Quantum Flagship Program lanserade Quantum Internet Alliance 2018. Detta konsortium koordinerat av Stephanie Wehner (QuTech-Delft) består av 12 ledande forskargrupper vid universitet från åtta europeiska länder, i nära samarbete med över 20 företag och institut. De kombinerade sina resurser och expertområden för att utveckla en plan för ett framtida kvantinternet och de nödvändiga teknologierna.

Ett kvantinternet använder ett spännande kvantfenomen för att koppla ihop olika noder i ett nätverk. I en normal nätverksanslutning, noder utbyter information genom att skicka elektroner eller fotoner fram och tillbaka, gör dem sårbara för avlyssning. I ett kvantnätverk, noderna är anslutna genom intrassling, Einsteins berömda "spöklika action på avstånd". Dessa icke-klassiska korrelationer på stora avstånd skulle tillåta inte bara säker kommunikation bortom direkt överföring utan även distribuerad kvantberäkning eller förbättrad avkänning.

Dock, en stor utmaning i att bygga storskaliga kvantnätverk är förmågan att generera sådana korrelationer mellan avlägsna noder. I princip, denna utmaning kan övervinnas om intrassling lagras på ett tillförlitligt sätt i kvantminnesenheter. Genom att dela upp det långa avståndet i flera kortare segment, det är möjligt att skapa intrassling mellan ändarna av dessa elementära länkar, och anslut dem sedan tills båda initiala noderna är intrasslade. Kvantminnesenheterna lagrar intrasslingen, se till att intrassling har skapats över alla segment innan anslutningarna utförs. Detta protokoll är känt som en kvantrepeater.

En kritisk parameter är effektiviteten hos kvantminnesenheterna:Om en enhet misslyckas med att registrera eller hämta det intrasslade ljuset, kvantrepeatern kan inte fungera korrekt. Till exempel, en ökning av lagring och hämtningseffektivitet från 60% till 90% minskar drastiskt den genomsnittliga tiden för intrångsfördelning över en sträcka på 600 kilometer, vanligtvis i två storleksordningar. Ett av målen för QIA-konsortiet är att lägga grunden för kvantrepeaterteknik genom att bygga högeffektiva minnesenheter för intrassling med hjälp av olika fysiska plattformar.

I onlinenumret för oktober 2020 av Optica , Prof. Julien Laurat och hans team vid Kastler Brossel Laboratory (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France) rapporterade ett efterlängtat steg för denna strävan. De har demonstrerat lagring och hämtning av intrasslade ljusstrålar i två kvantminnesenheter, med en total verkningsgrad så hög som 85 %. Detta värde utgör mer än en tredubbling i förhållande till tidigare arbeten inom området.

"Denna prestation är resultatet av 10 års experimentell utveckling i vårt labb. Det öppnar nu vägen för ytterligare undersökningar eftersom många potentiella nätverksarkitekturer antar ett sådant effektivitetsvärde för skalbarhet, säger Félix Hoffet, en Ph.D. student vid LKB och en av tidningens ledande författare.

Parisexperimentet involverade en mycket långsträckt ensemble av laserkylda cesiumatomer och baserades på protokollet som kallas elektromagnetiskt inducerad transparens. En kontrolllaserstråle gör mediet transparent och saktar ner det infallande signalljuset som bär informationen. När signalen finns i ensemblen och kontrollstrålen är avstängd, informationen omvandlas till en kollektiv excitation av atomerna, som lagras tills kontrollstrålarna slås på igen. Laurats team genererade först två ljusstrålar som är intrasslade och mappade dem sedan till två minnen enligt detta protokoll. Genom att använda specifika atomära övergångar och nå en mycket stor absorption i varje minne, forskarna kunde skriva och läsa upp förvecklingen med oöverträffad effektivitet, samtidigt som en mycket låg bullerkontamination bevaras.

"Vår rekordeffektivitet krävde först en stark teoretisk ansträngning för att bättre förstå de begränsande faktorerna i vår tidigare implementering och sedan en experimentell tour-de-force för att kombinera alla nödvändiga ingredienser tillsammans, " tillägger Mingtao Cao, en före detta Marie Curie postdoktor och den andra ledande författaren till tidningen. Alexandra Sheremet, en före detta Marie Curie-stipendiat och även författare till tidningen, spelat en nyckelroll för att simulera hela processen och ta hänsyn till komplexiteten hos flera energinivåer i detta atomsystem.

Arbetet redovisas i Optica är en språngbräda för vidare undersökningar. Dock, vägen för att bygga storskaliga nätverk är fortfarande kantad av utmaningar. Till exempel, effektiva kvantminnesenheter behöver också ha långa lagringstider för att skapa intrassling snabbare än den går förlorad. Denna kritiska funktion kan också komma med möjligheten att lagra olika information parallellt. QIA-konsortiet tar itu med dessa olika aspekter, både teoretiskt och experimentellt. Prof. Laurats team i Paris fokuserar till exempel på utvecklingen av "spatialt multiplexerade" minnen som kan lagra flera tillstånd samtidigt för att parallellisera kvantkopplingar.