Under 90-talet, ingenjörer gjorde stora framsteg på telekomarenan och spred ut nätverket till avstånd utanför städerna och storstadsområdena. För att uppnå denna skalbarhetsfaktor, de använde repeaters, vilket förbättrade dämpade signaler och gjorde att dessa kunde resa längre sträckor med samma egenskaper som intensitet eller trohet. Nu, med tillägg av satelliter, det är helt normalt att vara mitt på ett berg i Europa och prata med sina nära och kära som bor i den andra delen av världen.

På vägen mot att bygga framtidens kvantinternet, kvantminnen spelar samma roll. Tillsammans med källor till qubits, de är byggstenarna i detta nya internet, agerar som kvantrepeterare av dataoperationer och använder superposition och intrassling som de viktigaste ingredienserna i systemet. Men för att driva ett sådant system på en kvantnivå, intrasslingen mellan kvantminnen måste skapas över långa avstånd och underhållas så effektivt som möjligt.

Allt tillsammans i ett

I en nyligen publicerad studie i Natur , ICFO-forskarna Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri och Jelena Rakonjac, leds av ICREA Prof vid ICFO, Hugues de Riedmatten, har uppnått skalbar, telekom-heralderad materia-materia intrassling mellan två avlägsna, multimode och solid-state kvantminnen. Med enklare ord, de kunde lagra, i högst 25 mikrosekunder, en enda foton i två kvantminnen placerade 10 meter från varandra.

Forskarna visste att fotonen fanns i ett av de två minnena, men de visste inte i vilken, som betonade denna kontraintuitiva uppfattning som vi har om naturen, som tillåter fotonen att vara i ett kvantöverlagringstillstånd i de två kvantminnena samtidigt men, otroligt, 10 meter från varandra. Teamet visste också att förvecklingen skapades med detektering av en foton vid telekomvåglängd, och det lagrades i kvantminnena på ett multiplexerat sätt, "en funktion som liknar att tillåta flera meddelanden att skickas samtidigt i en klassisk kanal." Dessa två nyckelfunktioner har uppnåtts tillsammans för första gången och definierar språngbrädan för att utöka detta schema till mycket längre avstånd.

Som Dario Lago, en Ph.D. student vid ICFO och första författare till studien, pekar entusiastiskt "Hittills, flera av de milstolpar som uppnåddes i detta experiment gjordes av andra grupper, som att trassla in kvantminnen eller att uppnå lagring av fotonerna i kvantminnen med mycket hög effektivitet och höga hastigheter. Men, Det unika med detta experiment är att våra tekniker uppnådde mycket höga hastigheter och kan utökas till längre avstånd."

Uppsättning av experimentet

Att uppnå detta landmärke tog sin ansträngning och tid. Under loppet av flera månader, laget satte upp experimentet, där de använde en sällsynt jordartsmetall-dopad kristall som ett kvantminne som bas för sitt test.

Sedan, de tog två källor som genererade korrelerade par av enstaka fotoner. I varje par, en foton, heter tomgångsman, är på 1436nm (telekomvåglängd), och den andra, namngiven signal, har en våglängd på 606nm. Enkelsignalfotonerna, skickades till ett kvantminne, består av miljontals atomer alla slumpmässigt placerade inuti en kristall, och lagras där via ett protokoll som kallas atomfrekvenskam. Vid sidan av, de lediga fotonerna, även kallade häraldande eller budbärarfotoner, skickades genom en optisk fiber till en enhet som kallas stråldelare, där informationen om deras ursprung och väg raderades helt. Samuele Grandi, postdoktor och medförfattare till studien, kommentarer, "Vi raderade alla slags funktioner som skulle berätta för oss var de lediga fotonerna kom ifrån, låt det vara källa 1 eller 2, och vi gjorde detta för att vi inte ville veta någon information om signalfotonen och i vilket kvantminne den lagrades i." Genom att radera dessa funktioner, signalfotonen kunde ha lagrats i vilket som helst av kvantminnena, vilket betyder att förveckling skapades mellan dem.

Varje gång forskarna såg på monitorn ett klick av en tomgångsfoton som anlände till detektorn, de kunde bekräfta och verifiera att det fanns, faktiskt, förveckling. Denna intrassling bestod i en signalfoton i ett superpositionstillstånd mellan de två kvantminnena, där det lagrades som en excitation som delas av tiotals miljoner atomer i upp till 25 mikrosekunder.

Som Sam och Dario nämner, "Det märkliga med experimentet är att det inte går att veta om fotonen var lagrad i kvantminnet i lab 1 eller i Lab 2, som låg mer än 10 meter bort. Även om detta var huvuddraget i vårt experiment, och en som vi förväntade oss, resultaten i labbet var fortfarande kontraintuitiva, och ännu mer märkligt och häpnadsväckande för oss är att vi var kapabla att kontrollera det!"

Vikten av förebådade fotoner

De flesta av de tidigare studierna som har experimenterat med intrassling och kvantminnen använde heraldfotoner för att veta huruvida trasslingen mellan kvantminnen hade varit framgångsrik eller inte. En förebådande foton är som en budbärarduva och forskarna kan veta vid dess ankomst att förvecklingen mellan kvantminnena har etablerats. När detta händer, intrasslingsförsöken upphör och intrasslingen lagras i minnena innan den analyseras.

I detta experiment, forskarna använde en förebådande foton i telekomfrekvensen, bekräftar att den förveckling som produceras kan etableras med en foton som är kompatibel med befintliga telekomnätverk, en viktig bedrift eftersom den gör det möjligt att skapa förveckling över långa avstånd och, ännu mer, gör det möjligt för dessa kvantteknologier att enkelt integreras i befintliga klassiska nätverksinfrastrukturer.

Multiplexing är nyckeln

Multiplexering är förmågan hos ett system att skicka flera meddelanden samtidigt genom endast en överföringskanal. Inom klassisk telekommunikation, detta är ett vanligt verktyg som används för att överföra data över internet. I quantum repeaters, sådan teknik är något mer komplex. Med standard kvantminnen, man måste vänta på att meddelandet som förebådar förvecklingen kommer tillbaka till minnena, innan man kan försöka igen för att skapa förveckling. Men med användningen av atomfrekvenskamprotokollet, som tillåter denna multiplexeringsmetod, forskarna kunde lagra de intrasslade fotonerna vid många olika tillfällen i kvantminnet, utan att behöva vänta på en framgångsrik förebådande händelse innan nästa intrasslade par genereras. Detta tillstånd, kallas "temporal multiplexing, " är en nyckelfunktion som representerar en stor ökning av systemets driftstid, vilket leder till en ökning av den slutliga intrasslingshastigheten.

Framtida steg

Som prof. ICREA vid ICFO Hugues de Riedmatten entusiastiskt säger, "Den här idén skapades för mer än 10 år sedan och jag är stolt över att se att den nu har lyckats i labbet. Nästa steg är att föra experimentet utanför labbet, att försöka länka samman olika noder och fördela intrassling över mycket större avstånd, utöver vad vi har nu. Faktiskt, vi är mitt uppe i att uppnå den första kvantlänken på 35 km, som kommer att göras mellan Barcelona och ICFO, i Castelldefels."

Det är tydligt att det framtida kvantnätverket kommer att ge många applikationer inom en snar framtid. Detta uppnådda landmärke bevisar och bekräftar att vi är på rätt väg mot att utveckla dessa störande teknologier och börja distribuera dem till vad som kommer att bli ett nytt sätt att kommunicera, Quantum Internet.