Få termer är mer allestädes närvarande på den vetenskapliga arenan nuförtiden än "kvant".

Teknik baserad på de känt kvantmekanikens notoriskt svåra lagar lovar att göra datorer mycket kraftfullare än dagens snabbaste superdatorer, oackbar säker kommunikation och oöverträffade avkänningsmöjligheter som är nödvändiga för ytterligare vetenskaplig upptäckt.

Men för att denna teknik ska se dagens ljus, forskare måste utveckla effektiva kvantkommunikationsnätverk som ansluter kvantanordningar samtidigt som partiklarna som används för att överföra information bevaras.

Ett team av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, tillsammans med kollegor vid Purdue University, har tagit ett viktigt steg mot detta mål genom att utnyttja frekvensen, eller färg, av ljus. Sådana möjligheter kan bidra till mer praktiska och storskaliga kvantnätverk exponentiellt kraftfullare och säkrare än de klassiska nätverk vi har idag.

Specifikt, laget utnyttjar ljusets egenskaper och kvantmekanikens principer för att överföra information, vilket gör själva nätverket till en fotonisk kvantinformationsprocessor. Detta tillvägagångssätt är lovande av flera skäl.

Till att börja, fotoner färdas med ljusets hastighet, så att informationen kan komma från punkt A till punkt B så snabbt som möjligt. Fotoner interagerar i allmänhet inte med varandra eller den omgivande miljön, se till att informationen inte blir förvirrad eller skadas under transporten. "Ljus är egentligen det enda livskraftiga alternativet för kvantkommunikation över långa avstånd, "sa projektledaren Joseph Lukens, en forskare från ORNL, Wigner Fellow och DOE Early Career Award -vinnare som hjälpte till att detaljera teamets resultat Fysiska granskningsbrev .

Teamet använde ljus för att producera frekvensfack qubits, eller enstaka fotoner som finns i två olika frekvenser samtidigt, att demonstrera fullt godtyckliga kommunikationsoperationer i frekvenskodning för första gången. Medan frekvenskodning och intrassling förekommer i många system och är naturligt kompatibla med fiberoptik, att använda dessa fenomen för att utföra datahantering och bearbetning har traditionellt visat sig vara svårt. Sådan verksamhet, dock, krävs för grundläggande nätverksfunktioner inom kvantkommunikation och, i förlängningen, förverkligandet av ett stort antal kvanttekniker.

Med hjälp av en teknik utvecklad på ORNL, känd som en kvantfrekvensprocessor, forskarna visade allmänt tillämpbara kvantportar, eller de logiska operationer som är nödvändiga för att utföra kvantkommunikationsprotokoll. I dessa protokoll, forskare måste kunna manipulera fotoner på ett användardefinierat sätt, ofta som svar på mätningar som utförs på partiklar någon annanstans i nätverket. Medan de traditionella operationerna som används i klassiska datorer och kommunikationsteknik, som AND och OR, arbeta på digitala nollor och enor individuellt, kvantportar fungerar på samtidiga superpositioner av nollor och enor, hålla kvantinformationen skyddad när den passerar igenom, ett fenomen som krävs för att förverkliga sant kvantnätverk.

Genom att bevisa att deras konfiguration kan omvandla vilket qubit -tillstånd som helst till ett annat qubit -tillstånd, laget visade praktisk överföring av information. "Om du kan utföra godtyckliga operationer, du kan göra något av de grundläggande kvantkommunikationsprotokollen som routing baserat på frekvenskonvertering, sa Lukens.

Deras är ett av många olika system, men bland de mest lovande med tanke på resultaten. Som ett exempel, laget visade framgångsrikt uppåt 98% trohet - ett kvantitativt mått på noggrannhet - med hjälp av deras anpassade konfiguration.

Även om frekvens-bin kvantnätverk historiskt har varit svårt att kontrollera, teamets verktygslåda, Lukens sa, gör det mycket mer kontrollerbart. Inte bara det, det är ett naturligt producerat system som översätter väl till befintlig fiberoptik. Faktiskt, systemet utformades med hjälp av klassiska telekomkomponenter såsom fasmodulatorer. Dessa faktorer gör tekniken billigare och mer attraktiv för industrier som vill tillämpa den. Vidare, denna dominoeffekt avancerar både klassisk och kvantkommunikation samtidigt, på så sätt avancerar teamets metoder och möjligen för stora kvantnätverk ett steg närmare verkligheten.

Deras nästa experiment kommer att innebära att implementera sitt system på en fotonisk integrerad krets. "Det finns många oförutsedda applikationer, "sa Lukens." Frekvenskodning produceras naturligt av många olika system, och den är mycket väl lämpad för optisk fiber, så det potentiella applikationsutrymmet ska vara brett. "