Forskare har producerat, lagrat och hämtat kvantinformation för första gången, ett kritiskt steg i kvantnätverk.
Förmågan att dela kvantinformation är avgörande för att utveckla kvantnätverk för distribuerad datoranvändning och säker kommunikation. Kvantberäkning kommer att vara användbar för att lösa vissa viktiga typer av problem, som att optimera finansiella risker, dekryptera data, designa molekyler och studera materialegenskaper.
Denna utveckling hålls dock uppe eftersom kvantinformation kan gå förlorad när den sänds över långa avstånd. Ett sätt att övervinna denna barriär är att dela upp nätverket i mindre segment och länka ihop dem alla med ett delat kvanttillstånd.
För att göra detta krävs ett sätt att lagra kvantinformationen och hämta den igen:det vill säga en kvantminnesenhet. Detta måste "prata" med en annan enhet som tillåter skapandet av kvantinformation i första hand.
För första gången har forskare skapat ett sådant system som kopplar samman dessa två nyckelkomponenter och använder vanliga optiska fibrer för att överföra kvantdata.
Prestationen uppnåddes av forskare vid Imperial College London, University of Southampton och universiteten i Stuttgart och Wurzburg i Tyskland, med resultaten publicerade i Science Advances .
Medförfattaren Dr. Sarah Thomas, från Institutionen för fysik vid Imperial College London, sa:"Att koppla två nyckelenheter tillsammans är ett avgörande steg framåt för att tillåta kvantnätverk, och vi är verkligen glada över att vara det första laget som har varit kunna visa detta."
Medförfattaren Lukas Wagner, från universitetet i Stuttgart, tillade:"Att tillåta långdistansplatser, och till och med kvantdatorer, att ansluta är en kritisk uppgift för framtida kvantnätverk."
I vanlig telekommunikation – som internet eller telefonlinjer – kan information gå förlorad över stora avstånd. För att bekämpa detta använder dessa system "repeaters" vid vanliga punkter, som läser och återförstärker signalen, vilket säkerställer att den kommer till sin destination intakt.
Klassiska repeatrar kan dock inte användas med kvantinformation, eftersom varje försök att läsa och kopiera informationen skulle förstöra den. Detta är en fördel på ett sätt, eftersom kvantkopplingar inte kan "utnyttjas" utan att förstöra informationen och varna användarna. Det är dock en utmaning att ta itu med för långväga kvantnätverk.
Ett sätt att övervinna detta problem är att dela kvantinformation i form av intrasslade partiklar av ljus eller fotoner. Intrasslade fotoner delar egenskaper på ett sådant sätt att du inte kan förstå den ena utan den andra. För att dela intrassling över långa avstånd över ett kvantnätverk behöver du två enheter:en för att skapa de intrasslade fotonerna och en för att lagra dem och låta dem hämtas senare.
Det finns flera enheter som används för att skapa kvantinformation i form av intrasslade fotoner och för att lagra den, men både att generera dessa fotoner på begäran och att ha ett kompatibelt kvantminne att lagra dem i undvek forskare under lång tid.
Fotoner har vissa våglängder (som i synligt ljus skapar olika färger), men enheter för att skapa och lagra dem är ofta inställda för att fungera med olika våglängder, vilket hindrar dem från att mötas.
För att göra enheterna gränssnitt skapade teamet ett system där båda enheterna använde samma våglängd. En "kvantprick" producerade (icke intrasslade) fotoner, som sedan skickades till ett kvantminnessystem som lagrade fotonerna i ett moln av rubidiumatomer. En laser slog på och av minnet, så att fotonerna kunde lagras och släppas på begäran.
Våglängden på dessa två enheter matchade inte bara, utan den är på samma våglängd som telekommunikationsnätverk som används idag – vilket gör att den kan överföras med vanliga fiberoptiska kablar som är bekanta med vardagliga internetanslutningar.
Kvantpunktsljuskällan skapades av forskare vid University of Stuttgart med stöd från University of Wurzburg och togs sedan till Storbritannien för att samverka med kvantminnesenheten skapad av Imperial och Southampton-teamet. Systemet monterades i ett källarlabb vid Imperial College London.
Även om oberoende kvantprickar och kvantminnen har skapats som är effektivare än det nya systemet, är detta det första beviset på att enheter kan fås att samverka vid telekommunikationsvåglängder.
Teamet kommer nu att försöka förbättra systemet, inklusive att se till att alla fotoner produceras med samma våglängd, förbättra hur länge fotonerna kan lagras och göra hela systemet mindre.
Som ett bevis på konceptet är detta dock ett viktigt steg framåt, säger medförfattaren Dr Patrick Ledingham från University of Southampton. "Medlemmar i kvantgemenskapen har aktivt försökt denna länk under en tid. Detta inkluderar att vi har provat det här experimentet två gånger tidigare med olika minnes- och kvantpunktsenheter, som går tillbaka mer än fem år, vilket bara visar hur svårt det är att göra ."
"Genombrottet den här gången var att sammankalla experter för att utveckla och köra varje del av experimentet med specialutrustning och arbeta tillsammans för att synkronisera enheterna."
Mer information: Sarah E. Thomas et al., Deterministisk lagring och återhämtning av telekomljus från en kvantpunkts-enfotonkälla som är kopplad till ett atomärt kvantminne, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7346
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Imperial College London
