Kiinalaisfyysikot sotkevat kvanttimuistit 420 kilometrin päähän toisistaan – uusi maailmanennätys

Tutkimus julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä Editors' Suggestion -valikoimana ja se ilmestyi ensi kertaa arXiv-palvelimella . Koe on konkreettinen askel kaupunkialueen kvanttiverkoista kohti todellisia kaupunkien välisiä yhteyksiä.

Miten koe toimi

Järjestelmä rakentui kahden kvanttimuistisolmun ympärille, joita kutsuttiin Aliceksi ja Bobiksi, ja niiden välissä oli keskusmittaussolmu (Charlie) . Kumpikin muistisolmu oli laserilla jäähdytetty ja ansaan vangittu rubidium-87-atomien pilvi. Lomittumisen luomiseksi ryhmä käytti tunnettua DLCZ-protokollaa (Duan-Lukin-Cirac-Zoller) . Menetelmässä kukin muisti lähettää todennäköisyyspohjaisesti yhden fotonin. Kun tämä fotoni havaitaan keskussolmussa, se osoittaa, että muistit ovat lomittuneet.

Ryhmän oli voitettava kolme merkittävää haastetta päästäkseen 420 kilometriin:

Aallonpituuden muunnos. Rubidiummuistit lähettävät luonnostaan fotoneja noin 780 nm:n aallonpituudella, lähi-infrapuna-alueella. Nämä fotonit vaimenisivat nopeasti pitkässä kuidussa. Ryhmä muunsi kunkin fotonin teleyhteyksien aallonpituusalueelle (noin 1550 nm) – samalle aallonpituudelle, jota käytetään tavallisessa valokuituliikenteessä – jotta signaali voisi kulkea satoja kilometrejä ilman, että se absorboituisi .

Aktiivinen stabilointi. Yli 420 kilometrin pituisessa kuidussa lämpötilan muutokset, tärinä ja muut mekaaniset tekijät voivat tuhota yksittäisten fotonien interferenssiin tarvittavan vaihesuhteen. Ryhmä otti käyttöön stabilointijärjestelmän, joka kompensoi jatkuvasti näitä vaihteluita ja säilytti koherenssin koko linkin yli .

Yksittäisfotonin interferenssi. Keskeinen lomittumisen luova mittaus tapahtuu keskussolmussa, jossa Alicen ja Bobin fotonit interferoivat. Vakaan interferenssin aikaansaaminen yksittäisillä fotoneilla näin pitkällä matkalla oli merkittävä tekninen haaste, jonka ryhmä ratkaisi onnistuneesti .

PLOB-rajan rikkominen

Kenties merkittävin havainto on, että koe ylitti PLOB-rajan – teoreettisen maksiminopeuden, jolla lomittumista voidaan jakaa häviöllisessä kanavassa ilman kvanttitoistimia . Mitattu muistien välinen lomittumistodennäköisyys ylitti tämän rajan noin 230 km:n matkoilla, ja etu kasvoi jatkuvasti kuidun pituuden lisääntyessä aina 420 kilometriin asti . Kuten eräs raportti totesi, tämä on ensimmäinen muistipohjainen demonstraatio, joka ylittää tuon perustavanlaatuisen katon .

Ryhmä osoitti myös, että heidän muistiavusteinen menetelmänsä suoriutuu suoraa kuidussa tapahtuvaa lomittumisen jakamista paremmin noin 320 kilometrin jälkeen . Tämä johtuu siitä, että muistipohjainen menetelmä skaalautuu kanavan läpäisyn neliöjuurena, kun taas suora lähetys skaalautuu lineaarisesti läpäisyn mukaan – tämä perustavanlaatuinen ero antaa muisteille etulyöntiaseman pitkillä matkoilla .

Miksi tämä on tärkeää kvantti-internetille

Siirtymä kaupunkialueelta kaupunkien väliseksi. Aiemmat kuitupohjaiset aine-aine-lomittumisen ennätykset olivat 50–100 kilometrin luokkaa, mikä kattaa tyypillisen kaupunkialueen . 420 kilometrillä koe yltää etäisyyksiin, jotka yhdistävät kaupunkeja. Kuten kirjoittajat toteavat: "Koemme tarjoaa testausalustan sellaisten kvanttiverkkojen sovellusten tutkimiseen, jotka ulottuvat yhden kaupungin mittakaavaa pidemmälle" .

Se validoi muistiavusteiset kvanttiverkot. Tulos todistaa, että kvanttimuistit voivat tallentaa ja ilmoittaa lomittumisen syntymisestä käytännöllisillä kuitupituuksilla ja samalla ylittää toistimettoman rajan . Tämä on välttämätön edellytys skaalautuvien kvanttitoistimien ja viime kädessä täyden kvantti-internetin rakentamiselle .

Se on yhteensopiva olemassa olevan teleinfrastruktuurin kanssa. Keskeiset komponentit – teleyhteyksien aallonpituusalueelle tehty aallonmuunnos, aktiivinen kuidun stabilointi ja kylmäatomimuistit – ovat kaikki yhteensopivia tavanomaisten valokuitulaitteiden kanssa . Tämä viittaa realistiseen päivityspolkuun nykypäivän kvanttiavaimenjakoverkoista (QKD) tulevaisuuden kvantti-internetiin, jossa muistit mahdollistavat pitkän matkan lomittumisen jakamisen.

Keskeiset varaukset

Vaikka tekninen saavutus on aito, on tärkeää huomata, että kyseessä oli laboratoriodemonstraatio. Kokeessa käytettiin kelalle kierrettyä kuitua kontrolloidussa ympäristössä, ei kentälle asennettua linkkiä . Kuitu sisälsi lyhyen kenttäosuuden, joka kulki yliopiston laboratoriosta mittaussolmuun Hefei Software Parkissa, mutta suurin osa matkasta oli keloilla . Tosimaailman käyttöönotto vaatii lisäteknisten haasteiden ratkaisemista, kuten kentälle asennetun kuidun vakauden, kytkentä- ja reitityslaitteistoon integroinnin ja skaalaamisen useisiin toisiinsa kytkettyihin solmuihin .