Forskning med kvantdatorer och kvantnätverk pågår runt om i världen i hopp om att utveckla ett kvantinternet i framtiden. Ett kvantinternet skulle vara ett nätverk av kvantdatorer, sensorer och kommunikationsenheter som kommer att skapa, bearbeta och överföra kvanttillstånd och förveckling och som förväntas förbättra samhällets internetsystem och tillhandahålla vissa tjänster och säkerheter som det nuvarande internet inte har.
Ett team av fysiker från Stony Brook University och deras medarbetare har tagit ett betydande steg mot byggandet av en kvantinternettestbädd genom att demonstrera en grundläggande kvantnätverksmätning som använder kvantminnen vid rumstemperatur. Deras resultat beskrivs i en artikel publicerad i npj Quantum Information .
Området kvantinformation kombinerar i huvudsak aspekter av fysik, matematik och klassisk datoranvändning för att använda kvantmekanik för att lösa komplexa problem mycket snabbare än klassisk datoranvändning och för att överföra information på ett sätt som inte går att hacka.
Medan visionen om ett kvantinternetsystem växer och fältet har sett ett ökat intresse från forskare och allmänheten i stort, tillsammans med en kraftig ökning av det investerade kapitalet, har en verklig kvantinternetprototyp inte byggts.
Enligt forskargruppen Stony Brook är det viktigaste hindret för att uppnå potentialen att göra kommunikationsnätverk säkrare, mätsystem mer exakta och algoritmer för vissa vetenskapliga analyser kraftfullare, på att utveckla system som kan föra kvantinformation och intrassling över många noder och över långa avstånd. Dessa system kallas quantum repeaters och är en av de mer komplexa utmaningarna i dagens fysikforskning.
Forskarna har avancerad kvantrepeaterkapacitet i sina senaste experiment. De byggde och karakteriserade kvantminnen som fungerar vid rumstemperatur och visade att dessa minnen har identisk prestanda, en väsentlig egenskap när målet är att bygga storskaliga kvantrepeaternätverk som kommer att omfatta flera av dessa minnen.
De testade hur identiska dessa minnen är i sin funktion genom att skicka identiska kvanttillstånd till vart och ett av minnena och utföra en process som kallas Hong-Ou-Mandel Interference på utsignalerna från minnena, ett standardtest för att kvantifiera om fotonegenskaperna inte kan skiljas åt.
De visade att processen att lagra och hämta optiska qubits i deras rumstemperatur-kvantminnen inte avsevärt förvränger den gemensamma interferensprocessen och möjliggör minnesassisterad entanglement-swap, ett protokoll för att distribuera intrassling över långa avstånd och nyckeln till att bygga operativt kvantum. repeaters.
"Vi tror att detta är ett extraordinärt steg mot utvecklingen av livskraftiga kvantrepeterare och kvantinternet", säger huvudförfattaren Eden Figueroa, Ph.D., Stony Brook Presidential Innovation Endowed Professor och chef för Center for Distributed Quantum Processing, som innehar ett gemensamt möte vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory.
Dessutom fungerar kvanthårdvaran som utvecklats av teamet vid rumstemperatur, vilket avsevärt sänker driftskostnaderna och gör systemet mycket snabbare. Mycket av kvantforskningen sker inte vid rumstemperatur, utan vid temperaturer nära absolut noll, vilket är dyrare, långsammare och tekniskt mer utmanande att nätverka. Således är rumstemperaturteknik en lovande teknik för att bygga storskaliga kvantnätverk.
Teamet har inte bara uppnått rumstemperatur kvantminne och kommunikationsresultat utan har patenterat deras tillvägagångssätt. De fick amerikanska patent avseende kvantlagring vid rumstemperatur och kvantrepeterare med hög upprepningshastighet.
"Att få dessa flottor av kvantminnen att samarbeta på kvantnivå, och i rumstemperaturtillstånd, är något som är väsentligt för alla kvantinternet i vilken skala som helst. Såvitt vi vet har denna bedrift inte visats tidigare, och vi förväntar sig att bygga vidare på den här forskningen", betonar Figueroa och noterar att deras patenterade teknologi gör det möjligt för dem att ytterligare testa kvantnätverket.
Medförfattarna Sonali Gera, en postdoktor, och Chase Wallace, en doktorand, båda vid institutionen för fysik och astronomi, arbetade nära Figueroa, tillsammans med andra kollegor, under experimentet som på ett sätt syftar till att effektivt "förstärka " intrassling över avstånd, den väsentliga funktionen hos en kvantrepeater.
"Eftersom minnen är kapabla att lagra fotoner med en användardefinierad lagringstid kunde vi också visa tidssynkronisering av fotonernas hämtning trots att fotonerna anländer till minnena vid slumpmässiga tidpunkter, vilket är en annan funktion som är nödvändig för att driva ett kvantum. repeatersystem", förklarar Gera.
Hon och Wallace tillägger att några av nästa steg i teamets forskning är att bygga och karakterisera källor till intrassling som är kompatibla med kvantminnena och att designa mekanismer för att "förebåda" närvaron av lagrade fotoner över många kvantminnen.
Mer information: Sonali Gera et al, Hong-Ou-Mandel interferens av pulser på en fotonnivå lagrade i oberoende rumstemperaturkvantminnen, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-024-00803-2
Tillhandahålls av Stony Brook University
