Übertragende Verschränkung zwischen Licht und Materie im Metropolennetz von Barcelona

Während die Bemühungen zur Realisierung leistungsstarker Quantencomputer und Quantensimulatoren weitergehen, gibt es ein Parallelprogramm, das darauf abzielt, das Quantenanalogon zum klassischen Internet zu erreichen.

Dieses neue Quantennetzwerk wird hochsichere, quantensichere Cybersicherheit bieten und sich schließlich dem Austausch von Qubits, den einheitlichen Elementen der Quanteninformation, und der Sprache von Quantencomputern widmen. Tatsächlich wird es ein Netz bereitstellen, über das sich verschiedene Quantencomputer verbinden könnten, so wie klassische Prozessoren beim Cloud Computing miteinander verbunden sind.

Eine erste Wahl für die zukünftige Quanteninternet-Infrastruktur ist tatsächlich das bestehende Telekommunikationsnetzwerk, das einen nahezu allgegenwärtigen Kanal bietet, über den Licht bei begrenzter Absorption sehr große Entfernungen zurücklegen kann. Aufgrund dieser geringen Absorption und seiner hohen Geschwindigkeit ist Licht ein hervorragender Kandidat als Informationsträger, sei es klassisch oder quantenmechanisch.

Helles Laserlicht kann problemlos zur Übertragung klassischer Informationen im Internet verwendet werden, während die Lichtdämpfung in optischen Fasern durch Lichtverstärker ausgeglichen wird, die alle zehn Kilometer innerhalb dieser Fasern angebracht sind. Die Übertragung von Quanteninformationen – die Quantenkommunikation – erfordert jedoch weitaus ausgefeiltere Mittel.

Quantenbits werden immer noch in Licht kodiert, insbesondere in einzelnen Photonen, aber diese Quantenkodierung kann nicht verstärkt werden, weil die Regeln der Quantenmechanik dies verhindern; Wer versucht, die Quantenkodierung zu verstärken, schädigt die in den Photonen enthaltene Information ernsthaft. Daher können die in klassischen Netzwerken verwendeten Verstärker nicht für Quantenbits verwendet werden. Das bedeutet, dass eine radikal neue Technologie benötigt wird, um eine Quantenversion des Internets aufzubauen: den Quantenrepeater.

Während Lichtverstärker die Konnektivität zwischen entfernten Standorten sicherstellen, ermöglichen Quantenrepeater die Kommunikation über große Entfernungen, indem sie die Verschränkung zwischen ihnen verteilen.

Verschränkung ist eine ausschließlich Quanteneigenschaft zweier Objekte, die Korrelationen aufweisen, die mit klassischen Mitteln nicht reproduziert werden können, und sie ist eine der Hauptkomponenten der Quantenkommunikation. Damit lassen sich Quanteninformationen beispielsweise durch Quantenteleportation zwischen zwei Knoten eines Quanten-Repeater-Systems übertragen.

Eine Möglichkeit, eine Fernverschränkung zwischen zwei Knoten herzustellen, ist die direkte Übertragung: Es kann ein verschränktes Photonenpaar erzeugt werden, wobei eines an Ort und Stelle bleibt, während das andere zum anderen Ort wandert. Das bedeutet, dass Letzteres mit der Glasfaserübertragung kompatibel sein muss, während Ersteres in einem Quantenspeicher gespeichert werden muss, was zu einer Verschränkung zwischen Licht und Materie führt.

Nun benötigt man eine Reihe von Quantenrepeatern, um mehrere dieser Knoten zu koppeln und so eine Verschränkung zwischen Quantenspeichern über große Entfernungen zu erreichen. Eine vielversprechende Architektur für diese Quanten-Repeater-Knoten basiert auf der Kombination der spontanen Erzeugung von Photonenpaaren, einem Prozess, der als spontane Abwärtskonvertierung (SPDC) bekannt ist, mit einem externen Quantenspeicher.

Dies ist der Ansatz, den Forscher am ICFO gewählt haben. In einer neuen Studie erscheinen auf der arXiv Preprint-Server, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera und Felicien Appas unter der Leitung von ICREA-Professor am ICFO Hugues de Riedmatten demonstrieren die Übertragung der Licht-Materie-Verschränkung über Dutzende Kilometer Glasfaser.

In ihrem Experiment erzeugten sie Photonenpaare, von denen eines bei der Telekommunikationswellenlänge von 1436 nm und das andere bei 606 nm emittiert wird, kompatibel mit den verwendeten Festkörper-Quantenspeichern, die in speziellen, mit Seltenerdatomen dotierten Kristallen realisiert sind.

Anschließend schlossen sie sich dem Stadtnetz von Barcelona an und verbanden ihr System mit zwei Glasfasern, die vom ICFO in Castelldefels zum Telekommunikationszentrum von Katalonien (CTTI) im Hospitalet de Llobregat führten. Durch die Verbindung beider Zentren entstand ein 50 km langer Ring, der die Photonen bis in die Innenstadt von Barcelona und zurück zum ICFO schickte.

Damit zeigten sie, dass das im Labor erzeugte Licht nach einer vollständigen Hin- und Rückfahrt von 50 km seine Quanteneigenschaften ohne nennenswerte Abnahme beibehält, was zeigt, dass die photonischen Qubits keine Dekohärenz zeigen, wenn sie mehrere zehn Kilometer in einem Glasfaserkabel zurücklegen. sogar in einer Metropolregion. Kurz gesagt: Quantenlicht verließ das Labor und wurde schließlich wieder an seinem Ursprungsort entdeckt.

Allerdings erfordert die Quantenkommunikation die Nutzung und Überprüfung der Verschränkung zwischen entfernten Orten, wobei verschränkte Photonen an Orten nachgewiesen werden, die räumlich und zeitlich gut voneinander getrennt sind. In diese Richtung erweiterten die Forscher ihr Netzwerk um einen neuen Knotenpunkt, diesmal am i2CAT-Fundament, einem Gebäude in Barcelona, ​​etwa 44 km vom ICFO durch das örtliche Glasfasernetz und 17 km in Luftlinie entfernt.

Dort installierten sie einen Telekommunikationsdetektor, um die Ankunft von Photonen zu messen, die durch eine der Fasern kamen, während die andere Faser mit einem Wandler verbunden war, der das elektrische Signal des Detektors in Licht umwandelte und es durch die Glasfaserleitung schickte.

Auf diese Weise konnten die Informationen mit hoher Präzision an ICFO zurückgesendet werden, obwohl das Photon in etwa 17 km Entfernung entdeckt wurde. Darüber hinaus verwendeten sie dieselben Wandler, um Synchronisationssignale zwischen den beiden Knoten dieses Basisnetzwerks zu senden, wobei die Erzeugung und Erkennung von Quantenkorrelationen vollständig zwischen zwei unabhängigen, aber verbundenen Knoten erfolgte.

Das Experiment validierte das von den Forschern zur Erzeugung der Licht-Materie-Verschränkung verwendete System und erwies sich als einer der bahnbrechenden Kandidaten für die Realisierung eines Quanten-Repeater-Knotens, der Technologie, die die Quantenkommunikation über große Entfernungen ermöglicht. Im Labor wurden bereits Proof-of-Principle-Demonstrationen durchgeführt, und die Gruppe arbeitet nun daran, die Leistung sowohl des Speichers als auch der Quelle zu verbessern.

Darüber hinaus haben die Forscher eine Partnerschaft mit Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya) geschlossen, und im Rahmen der Projekte QNetworks und EuroQCI Spanien steht am Collserola-Turm ein neues Labor zur Realisierung eines verschränkten Zustands entfernter Quantenspeicher zur Verfügung.

Die Realisierung eines Langstrecken-Backbones für die Verschränkungsverteilung zwischen Quantenspeichern ist auch eines der Hauptziele der Quantum Internet Alliance (QIA), der führenden europäischen Initiative zur Realisierung des Quanteninternets, deren Hauptpartner das ICFO ist.

Die Ergebnisse dieser Studie, „nämlich die Übertragung der Licht-Materie-Verschränkung über Fasern, die in einer Metropolregion eingesetzt werden, sind der erste Schritt hin zur Verwirklichung eines vollwertigen Quanteninternets, in dessen Kern unser Quell- und Speicherquantenknoten liegt.“ “ kommentiert Samuele Grandi, Forscher am ICFO und Co-Erstautor der Studie.

Hugues de Riedmatten, ICREA-Professor am ICFO, kommt zu dem Schluss: „Die Verschränkung von Licht und Materie ist eine Schlüsselressource für die Quantenkommunikation und wurde viele Male im Labor demonstriert. Die Demonstration im installierten Glasfasernetzwerk ist ein erster Schritt zur Realisierung eines Testfelds dafür.“ Quanten-Repeater-Technologien im Großraum Barcelona zu entwickeln und damit den Grundstein für glasfaserbasierte Fernnetze zu legen.“