Die zunehmende Beherrschung der Quantenmechanik durch Wissenschaftler läutet ein neues Zeitalter der Innovation ein. Technologien, die die Kraft der kleinsten Größe der Natur nutzen, zeigen ein enormes Potenzial im gesamten wissenschaftlichen Spektrum, von Computern, die exponentiell leistungsstärker sind als die führenden Systeme von heute, Sensoren, die schwer fassbare dunkle Materie erkennen können, und einem praktisch unhackbaren Quanteninternet.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, von Freedom Photonics und der Purdue University haben Fortschritte in Richtung eines vollständigen Quanteninternets gemacht, indem sie den allerersten Bell-Zustandsanalysator für Frequenz-Bin-Codierung entworfen und demonstriert haben.
Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Optik.
Bevor Informationen über ein Quantennetzwerk gesendet werden können, müssen sie zunächst in einen Quantenzustand codiert werden. Diese Informationen sind in Qubits oder der Quantenversion der klassischen Computer-„Bits“ enthalten, die zum Speichern von Informationen verwendet werden, die verschränkt werden, was bedeutet, dass sie sich in einem Zustand befinden, in dem sie nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können.
Die Verschränkung zwischen zwei Qubits gilt als maximiert, wenn von den Qubits gesagt wird, dass sie sich in „Glockenzuständen“ befinden.
Die Messung dieser Bell-Zustände ist entscheidend für die Durchführung vieler der Protokolle, die für die Durchführung der Quantenkommunikation und die Verteilung der Verschränkung über ein Quantennetzwerk erforderlich sind. Und obwohl diese Messungen seit vielen Jahren durchgeführt werden, stellt die Methode des Teams den ersten Bell-Zustandsanalysator dar, der speziell für die Frequenz-Bin-Codierung entwickelt wurde, eine Quantenkommunikationsmethode, die einzelne Photonen nutzt, die sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Frequenzen befinden.
„Die Messung dieser Bell-Zustände ist für die Quantenkommunikation von grundlegender Bedeutung“, sagte ORNL-Forschungswissenschaftler, Wigner Fellow und Teammitglied Joseph Lukens. „Um Dinge wie Teleportation und Verschränkungswechsel zu erreichen, braucht man einen Bell-Zustandsanalysator.“
Teleportation ist der Akt des Sendens von Informationen von einer Partei zur anderen über eine beträchtliche physische Distanz, und Verschränkungstausch bezieht sich auf die Fähigkeit, zuvor entwirrte Qubit-Paare zu verschränken.
„Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Quantencomputer, die über ein Glasfasernetz verbunden sind“, sagte Lukens. „Aufgrund ihrer räumlichen Trennung können sie nicht alleine miteinander interagieren.
„Nehmen wir jedoch an, dass sie jeweils lokal mit einem einzelnen Photon verschränkt werden können. Wenn man diese beiden Photonen über eine Glasfaser sendet und dann dort, wo sie sich treffen, eine Bell-Zustandsmessung an ihnen durchführt, wird das Endergebnis sein, dass die beiden entfernten Quantencomputer jetzt verschränkt sind – obwohl sie nie miteinander interagiert haben. Dieses sogenannte Verschränkungstauschen ist eine entscheidende Fähigkeit zum Aufbau komplexer Quantennetzwerke.“
Obwohl es insgesamt vier Bell-Zustände gibt, kann der Analysator nur zwischen zweien zu einem bestimmten Zeitpunkt unterscheiden. Aber das ist in Ordnung, da die Messung der anderen beiden Zustände eine immense Komplexität erfordern würde, die bisher unnötig ist.
Der Analysator wurde mit Simulationen entwickelt und hat eine Genauigkeit von 98 % gezeigt; Die verbleibenden zwei Prozent Fehlerquote sind das Ergebnis des unvermeidlichen Rauschens aus der zufälligen Präparation der Testphotonen und nicht des Analysators selbst, sagte Lukens. Diese unglaubliche Genauigkeit ermöglicht die grundlegenden Kommunikationsprotokolle, die für Frequenz-Bins erforderlich sind, ein früherer Schwerpunkt der Forschung von Lukens.
Im Herbst 2020 zeigten Lukens und Kollegen von Purdue erstmals, wie einzelne Frequenzbin-Qubits nach Bedarf vollständig gesteuert werden können, um Informationen über ein Quantennetzwerk zu übertragen.
Unter Verwendung einer am ORNL entwickelten Technologie, die als Quantenfrequenzprozessor bekannt ist, demonstrierten die Forscher breit anwendbare Quantengatter oder die logischen Operationen, die für die Durchführung von Quantenkommunikationsprotokollen erforderlich sind. In diesen Protokollen müssen Forscher in der Lage sein, Photonen auf benutzerdefinierte Weise zu manipulieren, oft als Reaktion auf Messungen, die an anderen Stellen im Netzwerk an Partikeln durchgeführt wurden.
Während die traditionellen Operationen, die in klassischen Computern und Kommunikationstechnologien verwendet werden, wie UND/ODER, einzeln mit digitalen Nullen und Einsen arbeiten, arbeiten Quantengatter mit simultanen Überlagerungen von Nullen und Einsen und halten die Quanteninformationen beim Durchgang geschützt, ein Phänomen, das erforderlich ist echte Quantennetzwerke zu realisieren.
Während Frequenzcodierung und -verschränkung in vielen Systemen vorkommen und natürlich mit Faseroptik kompatibel sind, hat sich die Nutzung dieser Phänomene zur Durchführung von Datenmanipulations- und -verarbeitungsoperationen traditionell als schwierig erwiesen.
Nachdem der Bell-Zustandsanalysator fertiggestellt ist, wollen Lukens und seine Kollegen zu einem vollständigen Verschränkungsaustausch-Experiment expandieren, das das erste seiner Art in der Frequenzcodierung wäre. Diese Arbeit ist als Teil des Quantum-Accelerated Internet Testbed-Projekts des ORNL geplant, das kürzlich vom DOE vergeben wurde.
Navin B. Lingaraju et al., Bell-Zustandsanalysator für spektral unterschiedliche Photonen, Optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.443302