Under de senaste decennierna har kvantfysiker och ingenjörer försökt utveckla nya, pålitliga kvantkommunikationssystem. Dessa system skulle i slutändan kunna fungera som en testbädd för att utvärdera och utveckla kommunikationsprotokoll.
Forskare vid University of Chicago introducerade nyligen en ny testbädd för kvantkommunikation med avlägsna supraledande noder och demonstrerade dubbelriktad multifotonkommunikation på denna testbädd. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , skulle kunna öppna en ny väg mot att förverkliga effektiv kommunikation av komplexa kvanttillstånd i supraledande kretsar.
"Vi utvecklar supraledande qubits för modulär kvantberäkning och som en testbädd för kvantkommunikation," sa Andrew Cleland, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Båda förlitar sig på att kunna kommunicera kvanttillstånd koherent mellan qubit "noder" som är anslutna till varandra med ett gles kommunikationsnätverk, vanligtvis en enda fysisk transmissionslinje."
Forskarnas senaste studie bygger på två tidigare forskningsartiklar publicerade i Nature Physics och Natur . I dessa tidigare arbeten visade teamet att de kunde generera avlägsen intrassling och skicka komplexa kvanttillstånd, varav de senare en qubit åt gången.
"I vår nya studie ville vi försöka skicka komplexa kvanttillstånd som representerar flera kvantbitar samtidigt," sa Cleland. "För att göra detta laddade vi kvanttillståndet för att skickas in i en resonator och skickade sedan hela resonatortillståndet in i transmissionsledningen, och fångar upp det med en fjärrresonator för efterföljande analys."
Resonatorer, enheter som uppvisar elektrisk resonans, har ett nominellt oändligt antal kvantnivåer. Som ett resultat är de teoretiskt kapabla att lagra mycket komplexa tillstånd som kodar data för flera qubits. På grund av dessa fördelaktiga egenskaper kan användning av resonatorer för att skicka och ta emot data öka den tillgängliga bandbredden.
I sitt experiment använde Cleland och hans kollegor två supraledande qubits, som var och en var kopplad till en avstämbar supraledande resonator. Var och en av dessa resonatorer var i sin tur ansluten till en 2 m lång transmissionsledning via en enhet som kallas en variabel kopplare.
"Vi använder en supraledande qubit för att 'programmera' i olika kvanttillstånd till dess följeslagare, med metoder som vi etablerade för många år sedan," sa Cleland.
"Vi slår sedan på kopplingen av resonatorn till transmissionslinjen, och släpper det (möjligen komplexa) kvanttillståndet från resonatorn till transmissionslinjen, där det sänds som en (möjligen komplex) uppsättning intrasslade mobila fotoner. De är sedan "fångad" av den andra resonatorn genom att använda det omvända av släppprocessen, och vi använder den resonatorns qubit för att analysera det mottagna tillståndet. Systemet kan sända i båda riktningarna lika bra (därav 'dubbelriktad')."
Designen som implementerades av forskarna gjorde det möjligt för dem att realisera den dubbelriktade överföringen av enstaka mikrovågsfrekvensfotoner, såväl som den samtidiga överföringen av ett två-foton Fock-tillstånd |2> i en riktning med överföringen av ett en-foton Fock-tillstånd |1> i den andra riktningen, såväl som (separat) överföring av överlagrade foton Fock-tillstånd |0>+|1> och |0>+|2>.
"Vi visade sedan genereringen av så kallade N00N-tillstånd, representerande intrassling mellan de två resonatorerna, och i slutändan realiserade vi först genereringen av det intrasslade tillståndet |10>+|01> med en foton "delad" mellan de två resonatorerna, sedan genereringen i staten |20>+|02>, med två fotoner "delade" på samma sätt," sa Cleland.
"Sammantaget visar vårt arbete en genomförbar väg mot mycket effektiv kommunikation av mer komplexa kvanttillstånd än bara enstaka fotoner mellan två noder."
Den nya testbädden för kvantkommunikation som introducerades av Cleland och hans kollegor kan snart bana väg för ytterligare arbete och framsteg. För det första skulle det kunna användas för att realisera distribuerad beräkning, där varje nod i en krets utför beräkningar och effektivt kommunicerar resultat till en annan nod. Dessutom kan den användas för att demonstrera system där två noder delar ett komplext tillstånd och var och en utför distinkta manipulationer på detta tillstånd.
"Vår plattform kan också användas för kvantkommunikation, där till exempel kodad kvantinformation av viss komplexitet kan överföras i en enda överföring", tillade Cleland.
"Vi arbetar nu med ett antal olika aspekter av det här experimentet; till exempel planerar vi att öka antalet noder (som var två i vårt senaste experiment), öka tillförlitligheten i processen och utforska vad som är möjligt om vi ha fler kommunikationskanaler parallellt."
Mer information: Joel Grebel et al, Bidirectional Multiphoton Communication between Remote Superconducting Nodes, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.047001. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.00124
Journalinformation: Natur , Fysiska granskningsbrev , Naturfysik , arXiv
© 2024 Science X Network
