Kvantteknologier mognar för närvarande i en hisnande takt. Dessa tekniker utnyttjar kvantmekanikens principer i lämpligt konstruerade system, med ljusa utsikter som att öka beräkningseffektiviteten eller kommunikationssäkerheten långt utöver vad som är möjligt med enheter baserade på dagens "klassiska" teknologier.
Liksom med klassiska enheter måste dock kvantenheter kopplas ihop för att förverkliga sin fulla potential. I princip kan detta göras med de fiberoptiska nät som används för klassisk telekommunikation. Men praktisk implementering kräver att informationen som är kodad i kvantsystem kan lagras på ett tillförlitligt sätt vid de frekvenser som används i telekomnätverk – en förmåga som ännu inte har demonstrerats fullt ut.
Skriver i Nature Communications , gruppen av professor Xiao-Song Ma vid Nanjing University rapporterar rekordlång kvantlagring vid telekomvåglängder på en plattform som kan distribueras i utökade nätverk, vilket banar väg för praktiska storskaliga kvantnätverk.
Internets fysiska struktur är vävd av optiska fibrer. Glasfibrerna som utgör dessa stora nätverk är berömda rena. Ett vanligt exempel är att man kunde se tydligt genom ett kilometertjockt fönster av sådant glas. Icke desto mindre är vissa förluster oundvikliga, och de optiska signalerna som färdas genom telekommunikationsnätverk måste "uppfräschas" med jämna mellanrum när avstånden överstiger några hundra kilometer.
För klassiska signaler finns det väletablerade och rutinmässigt använda tekniker baserade på upprepad signalförstärkning. För kvanttillstånd av ljus är dock dessa rutinmässigt använda metoder tyvärr inte lämpliga.
Varför är "kvantljus" annorlunda? En nyckelingrediens som gör kvantteknologier så kraftfulla är kvantentanglement, ett tillstånd där två eller flera ljuskvanter (eller fotoner) delar starkare korrelationer mellan sig än vad som är möjligt för klassiskt ljus. Vid konventionell optisk signalregenerering omvandlas den optiska signalen till en elektrisk signal, som förstärks innan den omvandlas tillbaka till ljuspulser.
Emellertid skulle intrasslade fotoner förlora sina avgörande kvantkorrelationer i en sådan process. Samma problem uppstår med andra konventionella metoder.
En lösning är att använda så kallade quantum repeaters. I ett nötskal, kvantrepeater lagrar det bräckliga intrasslade tillståndet och omvandlar det till ett annat kvanttillstånd som delar intrassling med nästa nod längs linjen. Med andra ord, istället för att förstärka signalen, är noderna "hopsydda" och utnyttjar deras unika kvantegenskaper. I hjärtat av sådana kvantupprepningsnätverk finns kvantminnen i vilka kvanttillstånd av ljus kan lagras.
Att realisera dessa minnen med en tillräckligt lång lagringstid är en enastående utmaning, särskilt för fotoner vid telekomvåglängder (det vill säga runt 1,5 µm).
Därav spänningen när Ming-Hao Jiang, Wenyi Xue och kollegor i gruppen Xiao-Song Ma nu rapporterar lagring och hämtning av det intrasslade tillståndet för två telekomfotoner med en lagringstid på nära två mikrosekunder. Detta är nästan 400 gånger längre än vad som tidigare har visats på detta område och är därför ett avgörande steg mot praktiska anordningar.
Minnen utvecklade av Jiang, Xue et al. är baserade på yttriumortosilikat (Y2 SiO5 ) kristaller dopade med joner av det sällsynta jordartselementet erbium. Dessa joner har optiska egenskaper som är nästan perfekta för användning i befintliga fibernät, som matchar våglängden på cirka 1,5 μm.
Lämpligheten för erbiumjoner för kvantlagring har varit känd sedan några år tillbaka och det faktum att de är inbäddade i en kristall gör dem särskilt attraktiva med tanke på storskaliga tillämpningar. Praktiska implementeringar av erbium-jonbaserade kvantminnen har dock visat sig vara relativt ineffektiva hittills, vilket hindrar ytterligare framsteg mot kvantrepeterare.
Ma's grupp har nu gjort betydande framsteg när det gäller att fullända teknikerna och har visat att även efter lagring av fotonen i 1936 nanosekunder, bevaras fotonparets intrassling. Detta innebär att kvanttillståndet kan manipuleras under denna tid, vilket krävs i en kvantrepeater. Dessutom kombinerade forskarna sitt kvantminne med en ny källa av intrasslade fotoner på ett integrerat chip.
Denna demonstrerade förmåga att både generera högkvalitativa intrasslade fotoner vid telekomfrekvenser och lagra det intrasslade tillståndet, allt på en solid state-plattform som lämpar sig för lågkostnads massproduktion, är spännande eftersom den etablerar en lovande byggsten som kan kombineras med befintliga storskaliga fibernät – vilket möjliggör ett framtida kvantinternet.
Mer information: Ming-Hao Jiang et al, Kvantlagring av intrasslade fotoner vid telekomvåglängder i en kristall, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42741-1
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Nanjing University School of Physics
