Hoe kan kwantuminformatie betrouwbaar worden overgedragen wanneer de verbindingskanalen worden beïnvloed door schadelijke ruis? Wetenschappers van de Universiteit van Innsbruck en TU Wien (Wenen) hebben nieuwe oplossingen voor dit probleem gepresenteerd.

Tegenwoordig communiceren we via radiosignalen en sturen we elektrische pulsen door lange kabels. Dit kan snel veranderen, echter:wetenschappers hebben intensief gewerkt aan het ontwikkelen van methoden voor de overdracht van kwantuminformatie. Dit zou tap-proof data-overdracht mogelijk maken of, op een dag, zelfs het koppelen van kwantumcomputers.

Kwantuminformatieoverdracht vereist betrouwbare informatieoverdracht van het ene kwantumsysteem naar het andere, wat uiterst moeilijk te realiseren is. Onafhankelijk, twee onderzoeksteams - een aan de Universiteit van Innsbruck en de andere aan de TU Wien (Wenen) - hebben nu een nieuw kwantumcommunicatieprotocol ontwikkeld. Dit protocol maakt betrouwbare kwantumcommunicatie mogelijk, zelfs onder de aanwezigheid van vervuilende ruis. Beide onderzoeksgroepen werken met hetzelfde basisconcept:om het protocol immuun te maken voor de ruis, ze voegen een extra element toe, een zogenaamde kwantumoscillator, aan beide uiteinden van het kwantumkanaal.

Betrouwbare gegevensoverdracht

Wetenschappers hebben lange tijd kwantumcommunicatie-experimenten uitgevoerd. "Onderzoekers hebben al in de jaren negentig een kwantumteleportatieprotocol gepresenteerd. Het maakt het mogelijk om de toestand van het ene kwantumsysteem naar het andere over te brengen met behulp van optische fotonen, " zegt Benoit Vermersch, Postdoc in de groep van Peter Zoller aan de Universiteit van Innsbruck. Dit werkt ook over grote afstanden, maar je moet accepteren dat veel van de fotonen verloren gaan en slechts een heel klein deel de detector bereikt.

"Ons doel was om een ​​manier te vinden om een ​​kwantumtoestand op betrouwbare wijze van de ene plaats naar de andere over te brengen zonder het meerdere keren te hoeven doen om het te laten werken, " legt Peter Rabl van het Atominstitut uit, TU Wenen.

Supergeleidende qubits, vooral, zijn veelbelovende elementen voor toekomstige kwantumtechnologieën. Het zijn kleine circuits die tegelijkertijd twee verschillende toestanden kunnen aannemen. In tegenstelling tot conventionele lichtschakelaars die aan of uit kunnen worden gezet, volgens de wetten van de kwantumfysica kan een qubit elke combinatie van deze toestanden aannemen, wat kwantumsuperpositie wordt genoemd.

Om deze kwantumtoestand van de ene supergeleidende qubit naar de andere over te brengen, zijn microgolffotonen nodig, die al worden gebruikt voor klassieke signaaloverdracht. Het betrouwbaar overbrengen van kwantuminformatie via een microgolfregime werd als onmogelijk beschouwd omdat de constante thermische ruis het zwakkere kwantumsignaal volledig superponeert.

Nieuw overdrachtsprotocol

De twee onderzoeksgroepen hebben nu aangetoond dat deze obstakels niet onmogelijk te overwinnen zijn, zoals eerder werd aangenomen. In samenwerking met teams van Harvard en Yale (VS) hebben ze een overdrachtsprotocol kunnen ontwikkelen dat immuun is voor de onvermijdelijke ruis.

"Onze benadering is om een ​​ander kwantumsysteem toe te voegen - een microgolfoscillator - als bemiddelaar aan beide uiteinden van het protocol om de qubits te koppelen in plaats van ze rechtstreeks te koppelen aan het microgolfkanaal of de golfgeleider, ", legt Rabl uit.

"We kunnen de thermische ruis die zich in het kwantumkanaal ontwikkelt, niet voorkomen, ", zegt Benoit Vermersch. "Wat belangrijk is, is dat deze ruis beide oscillatoren aan beide uiteinden op dezelfde manier beïnvloedt. Daarom, we zijn in staat om het nadelige effect van de ruis precies te scheiden van het zwakkere kwantumsignaal door een nauwkeurige koppeling met de golfgeleider."

"Volgens onze berekeningen we kunnen qubits van meer dan enkele honderden meters met dit protocol verbinden, " zegt Peter Rabl. "We zouden de kanalen nog moeten koelen, maar op de lange termijn zal het technologisch haalbaar zijn om gebouwen of zelfs steden op een kwantumfysische manier te verbinden via microgolfkanalen."