Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben sich mit dem EPB von Chattanooga und der University of Tennessee in Chattanooga zusammengetan, um die erste Übertragung eines verschränkten Quantensignals unter Verwendung mehrerer Wellenlängenkanäle und automatischer Polarisationsstabilisierung über ein kommerzielles Netzwerk ohne Ausfallzeiten zu demonstrieren.
Der erfolgreiche Test dieser Innovation markiert einen weiteren Schritt auf dem Weg zur letztendlichen Schaffung eines Quanteninternets, das sich als leistungsfähiger und sicherer als bestehende Netzwerke erweisen könnte.
Bei der Demonstration wurde die automatische Polarisationskompensation (APC) verwendet, um die Polarisation oder Richtung der elektrischen Feldschwingung in einer Lichtwelle eines über das kommerzielle Glasfaser-Quantennetzwerk des EPB gesendeten Signals zu stabilisieren. Der Ansatz nutzte von Lasern erzeugte Referenzsignale, um die übertragene Polarisation kontinuierlich zu überprüfen, die mit einer hochempfindlichen Methode namens Heterodyn-Detektion erfasst wurde.
APCs reduzieren Datenstörungen, die durch äußere Kräfte wie Wind und Temperaturschwankungen verursacht werden und sich auf die Glasfaserkabel auswirken können, die zur Übertragung von Quantensignalen verwendet werden.
„Eines unserer Ziele war es schon immer, Quantenkommunikationssysteme zu entwickeln, die für Benutzer reibungslos funktionieren“, sagte Joseph Chapman, ein ORNL-Quantenforscher, der das leitete Studie jetzt veröffentlicht in Optik-Express.
„Dies ist die erste Demonstration dieser Methode, die eine relativ schnelle Stabilisierung unter Beibehaltung der Quantensignale ermöglichte, und das alles mit 100 % Betriebszeit – was bedeutet, dass die Leute an beiden Enden dieser Übertragung keine Unterbrechung des Signals bemerken und es auch nicht brauchen um geplante Ausfallzeiten zu koordinieren.
Die Methode ermöglichte eine kontinuierliche Übertragung der Signale ohne Unterbrechungen über mehr als 30 Stunden zwischen dem Knoten auf dem Campus der University of Tennessee Chattanooga und zwei anderen EPB-Quantennetzwerkknoten, die jeweils etwa eine halbe Meile entfernt sind. Der UTC-Knoten enthielt eine Quelle verschränkter Photonen, die von Muneer Alshowkan, einem ORNL-Quantenforscher, entwickelt wurde.
Quantencomputing basiert auf Quantenbits oder Qubits, um Informationen zu speichern. Im Gegensatz zu den in der klassischen Informatik verwendeten Binärbits können Qubits durch Quantenüberlagerung gleichzeitig in mehr als einem Zustand existieren, wodurch Kombinationen physikalischer Werte auf einem einzelnen Objekt kodiert werden können.
Die ORNL-Studie verwendete Lichtteilchen oder Photonen als Qubits und übertrug die polarisationsverschränkten Qubits mittels Quantenverschränkungsverteilung auf Photonenpaare. Verschränkte Qubits sind so miteinander verflochten, dass das eine nicht unabhängig vom anderen beschrieben werden kann. Diese Verschränkung ermöglicht es, die in Qubits kodierten Informationen per Quantenteleportation von einem Ort zum anderen zu übertragen, ohne physisch durch den Weltraum reisen zu müssen. Verschränkungsverteilung und Quantenteleportation bilden die Grundlage für fortgeschrittenere Quantennetzwerke.
Photonen können über Polarisation und andere Eigenschaften des Lichts als Qubits kodiert und über bestehende Glasfaserkabelsysteme übertragen werden. Doch Wind, Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und andere Belastungen des Kabels können die Polarisation der Photonen stören und das Signal stören. Chapman und das ORNL-Team wollten einen Weg finden, die Polarisation zu stabilisieren und Interferenzen zu reduzieren und gleichzeitig das Netzwerk mit maximaler Bandbreite laufen zu lassen.
„Die meisten früheren Lösungen funktionierten nicht unbedingt für alle Arten von Polarisationen und erforderten Kompromisse wie das regelmäßige Zurücksetzen des Netzwerks“, sagte Chapman. „Menschen, die das Netzwerk nutzen, müssen es betriebsbereit haben. Unser Ansatz kontrolliert jede Art von Polarisierung und erfordert nicht, dass das Netzwerk regelmäßig heruntergefahren wird.“
Chapman und Alshowkan testeten die Kompensationsmethode, indem sie Testsignale aus verschränkten Photonen mithilfe der verschränkungsgestützten Quantenprozesstomographie erzeugten, die die Eigenschaften eines Quantenkanals – wie der im Boden befindlichen Faser mit APC – schätzt, um Änderungen zu messen. Die Übertragungen blieben bei aktivierter APC relativ stabil und verursachten nur minimale zusätzliche Geräusche.
„Ein erfahrener Musiker mit einem guten Gehör kann den Unterschied erkennen, wenn zwei Instrumente verstimmt sind“, sagte Chapman. „In unserem APC verwenden wir einen Laser, um dasselbe mit unseren Referenzsignalen zu tun.“
Chapman hat dafür ein Patent angemeldet Verfahren. Zu den nächsten Schritten gehört die Anpassung des Ansatzes zur Erhöhung der Bandbreite und des Kompensationsbereichs, um einen Hochleistungsbetrieb unter einer größeren Vielfalt von Bedingungen zu ermöglichen.
„Die Zusammenarbeit mit Organisationen wie ORNL liefert wertvolles Feedback dazu, wie wir das EPB Quantum Network als Ressource für Forscher, Start-ups und akademische Kunden weiter verbessern können“, sagte David Wade, CEO von EPB. „Seit der Einführung eines kommerziell nutzbaren Quantennetzwerks haben wir damit begonnen, unsere Community darauf vorzubereiten, von den Fortschritten in der Quantenzukunft zu profitieren und Chattanooga als Ziel für Entwickler und Investitionen zu etablieren.“
UTC-Beamte sagten zu, ihre Unterstützung fortzusetzen.
„Wir freuen uns, Teil dieser erfolgreichen Teamarbeit zu sein“, sagte Reinhold Mann, Vizekanzler für Forschung bei UTC. „Diese Partnerschaft treibt die Quanteninformationswissenschaft und -technologie voran und erweitert unser spezielles Erlebnislernangebot für unsere Studenten.“
Weitere Informationen:
Joseph C. Chapman et al., Kontinuierliche automatische Polarisationskanalstabilisierung durch Überlagerungserkennung koexistierender schwacher Referenzsignale, Optik-Express (2024). DOI: 10.1364/OE.543704