Allt eftersom ansträngningarna för att förverkliga kraftfulla kvantdatorer och kvantsimulatorer fortsätter, finns det ett parallellt program som syftar till att uppnå kvantanalogen till det klassiska internet.

Detta nya kvantnätverk kommer att tillhandahålla ultrasäker, kvantsäker cybersäkerhet och kommer så småningom att ägnas åt utbyte av qubits, de enhetliga delarna av kvantinformation och språket i kvantdatorer. Det kommer i själva verket att tillhandahålla ett nät över vilket olika kvantdatorer kan ansluta som klassiska processorer är anslutna i molndatorer.

Ett förstahandsval för den framtida kvantinternetinfrastrukturen är i själva verket det befintliga telekommunikationsnätverket, som tillhandahåller en nästan allestädes närvarande kanal över vilken ljus kan färdas mycket stora avstånd med begränsad absorption. På grund av denna låga absorption och dess höga hastighet är ljus en utmärkt kandidat som informationsbärare, vare sig den är klassisk eller kvant.

Starkt laserljus kan lätt användas för att överföra klassisk information på internet, medan dämpningen av ljus i optiska fibrer kompenseras av ljusförstärkare placerade var tionde km inom dessa fibrer. Men överföringen av kvantinformation – kvantkommunikation – kräver mycket mer sofistikerade medel.

Kvantbitar är fortfarande kodade i ljus, speciellt enstaka fotoner, men denna kvantkodning kan inte förstärkas eftersom kvantmekanikens regler förhindrar det; om du försöker förstärka kvantkodningen skadar du allvarligt informationen som finns i fotonerna. Således kan förstärkarna som används i klassiska nätverk inte användas för kvantbitar. Det betyder att en radikalt ny teknik behövs för att bygga en kvantversion av internet:kvantrepeatern.

Eftersom ljusförstärkare säkerställer anslutning mellan avlägsna platser, kommer kvantrepeaters att möjliggöra långdistanskommunikation genom att distribuera intrassling mellan dem.

Entanglement är en uteslutande kvantegenskap hos två objekt som visar korrelationer som inte kan reproduceras med klassiska medel, och det är en av de primära komponenterna i kvantkommunikation. Den kan användas för att överföra kvantinformation, till exempel genom kvantteleportering mellan två noder i ett kvantrepeatersystem.

Ett sätt att etablera avlägsen intrassling mellan två noder är genom direkt överföring:ett intrasslat par fotoner kan genereras, där den ena stannar kvar medan den andra reser till den andra platsen. Det betyder att den senare måste vara kompatibel med optisk fiberöverföring, medan den förra måste lagras i ett kvantminne, vilket leder till intrassling mellan ljus och materia.

Nu behöver man en uppsättning kvantrepeterare för att para ihop flera av dessa noder för att uppnå långdistansintrassling mellan kvantminnen. En lovande arkitektur för dessa kvantrepeaternoder förlitar sig på att para ihop den spontana genereringen av fotonpar, en process som kallas spontan nedkonvertering (SPDC), med ett externt kvantminne.

Det är det förhållningssätt som forskare vid ICFO har tagit. I en ny studie som visas på arXiv preprint-server, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Sören Wengerowsky, Dario Lago-Rivera och Felicien Appas, ledda av ICREA-professorn vid ICFO Hugues de Riedmatten, demonstrerar överföringen av intrassling av ljus-materia över tiotals kilometer optisk fiber.

I sitt experiment genererade de fotonpar, där den ena sänds ut vid telekommunikationsvåglängden 1436nm, medan den andra sänds ut vid 606nm, kompatibelt med de fasta kvantminnena som används, realiserade i speciella kristaller dopade med sällsynta jordartsmetaller.

De kopplade sedan in i Barcelonas storstadsnätverk och kopplade sitt system till två fibrer som gick från ICFO, i Castelldefels, till Catalunyas telekommunikationscenter (CTTI), en Hospitalet de Llobregat. Genom att koppla ihop båda centra skapade de en ring på 50 km, och skickade fotonerna hela vägen till centrala Barcelona och tillbaka till ICFO.

Med detta visade de att efter en hel tur och retur på 50 km, bibehåller ljuset som genereras i labbet sina kvantegenskaper utan nämnvärd minskning, vilket visar att de fotoniska qubits inte uppvisar dekoherens när de reser tiotals km i en fiberoptisk kabel, även i ett storstadsområde. Kort sagt, kvantljus lämnade labbet, och det upptäcktes till slut tillbaka vid sitt ursprung.

Emellertid kräver kvantkommunikation användning och verifiering av intrassling mellan avlägsna platser, där intrasslade fotoner detekteras på platser väl åtskilda i rum och tid. I den här riktningen utökade forskarna sitt nätverk till att omfatta en ny nod, denna gång belägen vid i2CAT-stiftelsen, en byggnad i Barcelona, ​​cirka 44 km från ICFO genom det lokala optiska fibernätverket och 17 km i en rak linje.

Där installerade de en telekomdetektor för att mäta ankomsten av fotoner som kom genom en av fibrerna medan den andra fibern var kopplad till en givare, som vände den elektriska signalen från detektorn till ljus och skickade den genom den optiska fiberlinjen.

På så sätt kunde informationen föras tillbaka till ICFO med hög precision, trots att fotonen upptäcktes cirka 17 km bort. Dessutom använde de samma givare för att skicka synkroniseringssignaler mellan de två noderna i detta grundläggande nätverk, där genereringen och detekteringen av kvantkorrelationer var helt separerade mellan två oberoende men anslutna noder.

Experimentet validerade systemet som användes av forskarna för att generera intrassling av ljus-materia och har visat sig vara en av de banbrytande kandidaterna för förverkligandet av en kvantrepeaternod, den möjliggörande teknologin för långdistanskvantkommunikation. Principbevis-demonstrationer har redan genomförts i labbet, och gruppen arbetar nu med att förbättra prestanda för både minnet och källan.

Dessutom har forskarna samarbetat med Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya), och ett nytt laboratorium finns tillgängligt vid Collserola-tornet inom ramen för QNetworks- och EuroQCI Spain-projekten för att förverkliga ett intrasslat tillstånd av avlägsna kvantminnen.

Förverkligandet av en långväga ryggrad för intrasslingsfördelning mellan kvantminnen är också ett av huvudmålen för Quantum Internet Alliance (QIA), den ledande europeiska ansträngningen för att förverkliga kvantinternet som ICFO är en huvudpartner till.

Resultaten av denna studie, "nämligen överföringen av intrassling av lätt materia över fibrer som är utplacerade i ett storstadsområde, är det första steget mot förverkligandet av ett fullfjädrat kvantinternet, med vår käll- och minneskvantumnod i dess kärna, " kommenterar Samuele Grandi, forskare vid ICFO och medförfattare till studien.

Som ICREA-professorn vid ICFO Hugues de Riedmatten avslutar, "Ljus-materia intrassling är en nyckelresurs för kvantkommunikation och demonstrerades många gånger i laboratoriet. Att demonstrera det i det installerade fibernätverket är ett första steg mot att förverkliga en testbädd för kvantrepeaterteknik i Barcelona-området, förbereder marken för långdistansfiberbaserade nätverk."

Mer information: Jelena V. Rakonjac et al, Transmission of light-materia entanglement over a metropolitan network, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2304.05416

Journalinformation: arXiv

Tillhandahålls av ICFO