Kvantteknologi använder vanligtvis qubits (kvantbitar) bestående av, till exempel, enstaka elektroner, fotoner eller atomer. En grupp TU Delft -forskare har nu visat förmågan att teleportera ett godtyckligt qubit -tillstånd från en enda foton till en optomekanisk enhet - bestående av en mekanisk struktur som består av miljarder atomer. Deras genombrottsforskning, nu publicerad i Nature Photonics , möjliggör verkliga applikationer som kvant-internet-repeaternoder samtidigt som kvantmekaniken själv kan studeras på nya sätt.

Kvantoptomekanik

Kvantoptomekanikens område använder optiska medel för att styra mekanisk rörelse i kvantregimen. De första kvanteffekterna i mikroskala mekaniska enheter demonstrerades för ungefär tio år sedan. Fokuserade ansträngningar har sedan resulterat i intrasslade tillstånd mellan optomekaniska enheter samt demonstrationer av ett optomekaniskt kvantminne. Nu, gruppen av Simon Gröblacher, vid Kavli Institute of Nanoscience och Institutionen för Quantum Nanoscience vid Delft University of Technology, i samarbete med forskare från University of Campinas i Brasilien, har visat den första framgångsrika teleporteringen av ett godtyckligt optiskt qubit -tillstånd till ett mikromekaniskt kvantminne.

Repeaternoder för ett kvantinternet

Kvantteleportation-den trogna överföringen av ett okänt ingångskvanttillstånd till ett avlägset kvantsystem-är en nyckelkomponent i långdistanskvantkommunikationsprotokoll som behövs för att bygga ett kvantinternet. Precis som vanligt internet, distribution av kvantinformation mellan kvantanordningar var som helst i världen kommer att kräva ett nätverk av repeaternoder. Varje nod kommer tillfälligt att lagra kvantinformationen i ett minne innan den teleporteras till en efterföljande nod, slutligen upprätta kvantkommunikation över långa avstånd.

Två mikromekaniska resonatorer som delar ett enda kvanttillstånd

I deras experiment, forskarna skapar en polarisationskodad fotonisk qubit i ett godtyckligt kvanttillstånd. De transporterar sedan denna foton över tiotals meter optisk fiber och teleporterar den till sitt kvantminne som består av två massiva, mekaniska kiselresonatorer - var och en cirka 10 mikrometer stor och består av tiotals miljarder atomer. Kvantinformationen lagrades i ett enda excitationsdelrum för de två resonatorerna. För att testa processens tillförlitlighet, forskarna visade vidare att de troget kunde hämta detta teleporterade tillstånd från minnet.

Telekomvåglängder

Även om kvantteleportation redan har visats i olika kvantsystem, användningen av optomekaniska enheter är ett genombrott eftersom de kan utformas för att fungera vid vilken optisk våglängd som helst, inklusive infraröda telekommunikationsfibervåglängder med låg förlust. "Det är denna våglängd som resulterar i den lägsta överföringsförlusten, tillåter det längsta avståndet mellan repeaternoder, "Gröblacher säger." Denna milstolpe var möjlig på grund av kvaliteten och flexibiliteten i våra nanofabricerade optomekaniska system, som, till skillnad från de flesta andra kvantsystem, möjliggöra oberoende konstruerade optiska egenskaper. Ett framtida kvantinternet kommer utan tvekan att använda det befintliga telekomnätet vid denna våglängd. "

Alla byggstenar

I princip, kvantteleportering kan göras över godtyckliga avstånd. Genom att teleportera ett fotoniskt kvanttillstånd över tiotals meter optisk fiber till ett kvantminne, forskarna har visat kravet på en fullt fungerande optomekanisk kvantrepeaternod. Gröblacher:"Vi måste nu ytterligare förbättra prestandan till den nivå som krävs för ett system som kan distribueras i en verklig applikation, som att öka repetitionsfrekvensen, trovärdigheter och framgångsgraden för qubit-teleportation och lagring. "Enligt Thiago Alegre, forskare vid University of Campinas och samarbetspartner för detta projekt, en väg kommer att vara att designa optomekaniska system som är motståndskraftiga mot parasitisk optisk absorption. "Detta kan realiseras på grund av flexibiliteten hos dessa nanofabricerade enheter."

En hybridmetod

Den aktuella forskningen är ett stort steg mot Gröblachers vision om ett framtida hybridkvante -internet. "Vi arbetar mot ett heterogent nätverk där du har olika fysiska system som kommunicerar och utför olika funktioner, "säger han." Du kan ha optomekaniska kvantrepeaternoder anslutna till en kvantdator eller minne som består av supraledande qubits eller spinnkvantsystem, respektive. Alla dessa måste vara kompatibla med varandra och arbeta med samma våglängd för att troget kunna överföra kvantinformation. "

Kvant-till-klassisk övergång

Förutom att möjliggöra byggstenar för nya kvanttekniker, förmågan att teleportera ett godtyckligt qubit -tillstånd till massiva, mekaniska oscillatorer kan också användas för att testa själva kvantfysiken på en grundläggande nivå. Medan mycket små system normalt beter sig enligt kvantmekanikens lagar, stora system styrs av de klassiska fysiklagarna. "Experiment har uteslutit vissa teorier som beskriver dekoherensmekanismer som leder till kvant-till-klassisk övergång, men vi är långt ifrån ett definitivt svar, "Gröblacher säger." Eftersom det är relativt enkelt att skala våra optomekaniska system och att använda teleportation för att skapa intressanta kvanttillstånd, detta är ett viktigt steg för att förstå denna gräns. "