Quantenteleportation über große Entfernungen, die durch Multiplex-Quantenspeicher ermöglicht wird

Quantenteleportation ist eine Technik, die die Übertragung von Quanteninformationen zwischen zwei entfernten Quantenobjekten, einem Sender und einem Empfänger, ermöglicht, wobei ein Phänomen namens Quantenverschränkung als Ressource verwendet wird.

Das einzigartige Merkmal dieses Prozesses ist, dass die eigentlichen Informationen nicht durch das Senden von Quantenbits (Qubits) über einen Kommunikationskanal übertragen werden, der die beiden Parteien verbindet; Stattdessen werden die Informationen an einem Ort zerstört und erscheinen am anderen, ohne physisch zwischen den beiden hin- und herzureisen. Diese überraschende Eigenschaft wird durch Quantenverschränkung ermöglicht, begleitet von der Übertragung klassischer Bits.

Heutzutage besteht im Bereich der Quantenkommunikation und der Quantennetzwerke ein großes Interesse an der Quantenteleportation, da sie die Übertragung von Quantenbits zwischen Netzwerkknoten über sehr große Entfernungen unter Verwendung der zuvor geteilten Verschränkung ermöglichen würde.

Dies würde die Integration von Quantentechnologien in aktuelle Telekommunikationsnetze unterstützen und die durch diese Systeme ermöglichte ultrasichere Kommunikation auf sehr große Entfernungen ausdehnen. Darüber hinaus ermöglicht die Quantenteleportation die Übertragung von Quanteninformationen zwischen verschiedenen Arten von Quantensystemen, zB zwischen Licht und Materie oder zwischen verschiedenen Arten von Quantenknoten.

Quantenteleportation wurde theoretisch in den frühen 90er Jahren vorgeschlagen und experimentelle Demonstrationen wurden von mehreren Gruppen auf der ganzen Welt durchgeführt. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft umfangreiche Erfahrungen mit der Durchführung dieser Experimente gesammelt hat, bleibt noch eine offene Frage, wie Informationen auf praktische Weise teleportiert werden können, um eine zuverlässige und schnelle Quantenkommunikation über ein ausgedehntes Netzwerk zu ermöglichen.

Es scheint klar, dass eine solche Infrastruktur mit dem aktuellen Telekommunikationsnetz kompatibel sein sollte. Darüber hinaus erfordert das Protokoll der Quantenteleportation eine letzte Operation, die auf das teleportierte Qubit angewendet werden muss, abhängig vom Ergebnis der Teleportationsmessung (übertragen durch klassische Bits), um die Informationen originalgetreu und mit einer höheren Rate zu übertragen, ein Merkmal wird als aktives Feed-Forward bezeichnet.

Das bedeutet, dass der Empfänger ein als Quantenspeicher bekanntes Gerät benötigt, das das Qubit speichern kann, ohne es zu beeinträchtigen, bis die endgültige Operation implementiert werden kann. Schließlich sollte dieser Quantenspeicher in der Lage sein, gemultiplext zu arbeiten, um die Geschwindigkeit des Teleportierens von Informationen zu maximieren, wenn Sender und Empfänger weit entfernt sind. Bisher hatte keine Implementierung diese drei Anforderungen in derselben Demonstration integriert.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Naturkommunikationhaben die ICFO-Forscher Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac und Samuele Grandi unter der Leitung von ICREA Prof. am ICFO Hugues de Riedmatten berichtet, dass sie eine Fernteleportation von Quanteninformationen von einem Photon zu einem Festkörper-Qubit erreicht haben, einem Photon, das in einem gespeichert ist gemultiplexter Quantenspeicher.

Die Technik umfasste die Verwendung eines aktiven Feed-Forward-Schemas, das zusammen mit der Multimodalität des Gedächtnisses eine Maximierung der Teleportationsrate ermöglicht hat. Die vorgeschlagene Architektur war mit den Telekommunikationskanälen kompatibel und ermöglichte somit eine zukünftige Integration und Skalierbarkeit für die Quantenkommunikation über große Entfernungen.

Wie man Quantenteleportation erreicht

Das Team baute zwei Versuchsaufbauten, die im Fachjargon meist Alice und Bob heißen. Die beiden Setups wurden durch eine 1 km lange Glasfaser verbunden, die auf einer Spule aufgewickelt wurde, um eine physische Distanz zwischen den Parteien zu emulieren.

An dem Experiment waren drei Photonen beteiligt. Beim ersten Aufbau, Alice, verwendete das Team einen speziellen Kristall, um zwei verschränkte Photonen zu erzeugen: das erste Photon bei 606 nm, Signalphoton genannt, und das zweite Photon, Idler-Photon genannt, kompatibel mit der Telekommunikationsinfrastruktur.

Nach der Erstellung „behielten wir das erste 606-nm-Photon bei Alice und speicherten es in einem gemultiplexten Festkörper-Quantenspeicher, um es für die zukünftige Verarbeitung im Speicher zu halten. Gleichzeitig nahmen wir das bei Alice erzeugte Telekommunikationsphoton und schickten es durch die 1 km lange Glasfaser, um den zweiten Versuchsaufbau namens Bob zu erreichen“, erinnert sich Dario Lago.

In diesem zweiten Aufbau, Bob, hatten die Wissenschaftler einen weiteren Kristall, in dem sie ein drittes Photon erzeugten, in dem sie das Quantenbit codiert hatten, das sie teleportieren wollten. Sobald das dritte Photon erzeugt wurde, war das zweite Photon von Alice bei Bob angekommen, und hier findet der Kern des Teleportationsexperiments statt.

Informationen über 1 km teleportieren

Das zweite und dritte Photon interferierten miteinander durch eine sogenannte Bell-State-Messung (BSM). Der Effekt dieser Messung bestand darin, den Zustand des zweiten und dritten Photons zu mischen. Da das erste und das zweite Photon von vornherein verschränkt waren, also ihr gemeinsamer Zustand stark korrelierte, war das Ergebnis der BSM die Übertragung der im dritten Photon kodierten Information auf das erste, gespeichert von Alice im Quantenspeicher, 1 km entfernt.

Wie Dario Lago und Jelena Rakonjac erwähnen, „sind wir in der Lage, Informationen zwischen zwei Photonen zu übertragen, die zuvor nie in Kontakt waren, aber durch ein drittes Photon verbunden sind, das tatsächlich mit dem ersten verschränkt war. Die Einzigartigkeit dieses Experiments liegt in der Tatsache, dass wir verwendeten einen Multiplex-Quantenspeicher, der in der Lage war, das erste Photon so lange zu speichern, dass wir, als Alice herausfand, dass die Interaktion stattgefunden hatte, immer noch in der Lage waren, die teleportierten Informationen so zu verarbeiten, wie es das Protokoll erfordert.

Diese Verarbeitung, die Dario und Jelena erwähnen, war die zuvor erwähnte aktive Feed-Forward-Technik. Abhängig vom Ergebnis der BSM wurde das erste Photon nach der Speicherung im Speicher einer Phasenverschiebung unterzogen. Auf diese Weise wäre im ersten Photon immer derselbe Zustand kodiert. Ohne dies müsste die Hälfte der Teleportationsereignisse verworfen werden.

Darüber hinaus ermöglichte die Multimodalität des Quantenspeichers es ihnen, die Teleportationsrate über die Grenzen hinaus zu erhöhen, die durch den Abstand von 1 km zwischen ihnen auferlegt wurden, ohne die Qualität des teleportierten Qubits zu beeinträchtigen. Insgesamt führte dies zu einer dreimal höheren Teleportationsrate als bei einem Single-Mode-Quantenspeicher, nur begrenzt durch die Geschwindigkeit der klassischen Hardware.

Skalierbarkeit und Integration

Das von dieser Gruppe im Jahr 2021 durchgeführte Experiment, bei dem sie zum ersten Mal die Verschränkung von zwei Multimode-Quantenspeichern erreichten, die 10 Meter voneinander entfernt waren und durch ein Photon bei der Telekommunikationswellenlänge angekündigt wurden, war der Vorläufer dieses Experiments.

Wie Hugues de Riedmatten betont: „Die Quantenteleportation wird entscheidend sein, um eine qualitativ hochwertige Langstreckenkommunikation für das zukünftige Quanteninternet zu ermöglichen. Unser Ziel ist es, die Quantenteleportation in immer komplexeren Netzwerken mit zuvor verteilter Verschränkung zu implementieren. Der Festkörper und Multiplex-Charakter unserer Quantenknoten sowie ihre Kompatibilität mit dem Telekommunikationsnetz machen sie zu einem vielversprechenden Ansatz, um die Technologie über große Entfernungen im installierten Glasfasernetz einzusetzen.“

Weitere Verbesserungen sind bereits in Planung. Einerseits konzentriert sich das Team auf die Entwicklung und Verbesserung der Technologie, um das Setup auf viel längere Distanzen auszudehnen und gleichzeitig die Effizienz und Geschwindigkeit beizubehalten. Andererseits zielen sie auch darauf ab, diese Technik bei der Übertragung von Informationen zwischen verschiedenen Arten von Quantenknoten zu untersuchen und einzusetzen, für ein zukünftiges Quanteninternet, das in der Lage sein wird, Quanteninformationen zwischen entfernten Parteien zu verteilen und zu verarbeiten.