In een recente studie gepubliceerd in Natuur , ICFO-onderzoekers onder leiding van ICREA Prof. Hugues de Riedmatten rapporteren een elementaire "hybride" kwantumnetwerkverbinding en demonstreren fotonische kwantumcommunicatie tussen twee verschillende kwantumknooppunten die in verschillende laboratoria zijn geplaatst, met een enkel foton als informatiedrager.

Vandaag, kwantuminformatienetwerken ontwikkelen zich tot een disruptieve technologie die radicaal nieuwe mogelijkheden zal bieden voor informatieverwerking en communicatie. Recent onderzoek suggereert dat deze kwantumnetwerkrevolutie misschien net om de hoek is.

De belangrijkste elementen van een kwantuminformatienetwerk zijn informatieverwerkende kwantumknooppunten die bestaan ​​uit materiesystemen zoals koude atomaire gassen of gedoteerde vaste stoffen, en communicerende deeltjes, voornamelijk fotonen. Terwijl fotonen perfecte informatiedragers lijken, er is nog steeds onzekerheid over welk materiesysteem als netwerkknooppunt kan worden gebruikt, aangezien elk systeem verschillende functionaliteiten biedt. Daarom, de implementatie van een hybride netwerk is voorgesteld, zoeken om de beste mogelijkheden van verschillende materiaalsystemen te combineren.

Eerdere studies hebben betrouwbare overdrachten van kwantuminformatie tussen identieke knooppunten gedocumenteerd, maar dit is de eerste keer dat dit ooit is bereikt met een "hybride" netwerk van knooppunten. De ICFO-onderzoekers hebben een oplossing ontwikkeld en de uitdaging opgelost van een betrouwbare overdracht van kwantumtoestanden tussen verschillende kwantumknooppunten via enkele fotonen. Een enkel foton moet sterk en in een ruisvrije omgeving interageren met de heterogene knopen of materiesystemen, die over het algemeen bij verschillende golflengten en bandbreedten functioneren. Zoals Nicolas Maring zegt:"Het is alsof knooppunten in twee verschillende talen spreken. Om te kunnen communiceren, het is nodig om de eigenschappen van het enkele foton om te zetten, zodat het alle informatie efficiënt tussen deze verschillende knooppunten kan overbrengen."

Hoe hebben ze het probleem opgelost?

In hun studie hebben de ICFO-onderzoekers gebruikten twee zeer verschillende kwantumknooppunten:het emitterende knooppunt was een lasergekoelde wolk van Rubidium-atomen en het ontvangende knooppunt een kristal gedoteerd met Praseodymium-ionen. Van het koude gas, ze genereerden een kwantumbit (qubit) gecodeerd in een enkel foton met een zeer smalle bandbreedte en een golflengte van 780 nm. Vervolgens hebben ze het foton omgezet naar de golflengte van 1552 nm om aan te tonen dat dit netwerk volledig compatibel zou kunnen zijn met het huidige telecom C-bandbereik. Vervolgens, ze stuurden het door een optische vezel van het ene lab naar het andere. Eenmaal in het tweede lab, de golflengte van het foton werd geconverteerd naar 606 nm om correct te interageren en de kwantumtoestand over te dragen naar het ontvangende gedoteerde kristalknooppunt. Bij interactie met het kristal, de fotonische qubit werd ongeveer 2,5 microseconden in het kristal opgeslagen en met zeer hoge betrouwbaarheid teruggevonden.

De resultaten van het onderzoek laten zien dat twee heel verschillende kwantumsystemen kunnen worden verbonden en communiceren door middel van een enkel foton. ICREA Prof bij ICFO Hugues de Riedmatten zegt, "Het kunnen verbinden van kwantumknooppunten met zeer verschillende functionaliteiten en mogelijkheden en het verzenden van kwantumbits door middel van enkele fotonen ertussen is een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van hybride kwantumnetwerken." De mogelijkheid om fotonische qubits heen en weer te converteren op de telecom C-band golflengte toont aan dat deze systemen volledig compatibel zouden zijn met de huidige telecomnetwerken.

Voordelen van Quantum versus klassieke informatienetwerken

Het World Wide Web is in de jaren 80 ontwikkeld, met informatie die door het netwerk stroomt door middel van bits die worden verwerkt en gemoduleerd door elektronische schakelingen en chips en verzonden door lichtpulsen die informatie door het netwerk verplaatsen met minimale signaalverliezen via optische vezels.

In plaats van de klassieke bits te gebruiken, kwantuminformatienetwerken zouden kwantuminformatie verwerken en opslaan via kwantumbits of "qubits". Hoewel bits nullen of enen kunnen zijn, qubits bestaan ​​in een superpositie van deze twee toestanden. In een kwantumnetwerk ze worden gegenereerd en verwerkt door kwantummateriesystemen, bijv. koude atomaire gassen, gedoteerde vaste stoffen of andere systemen. In tegenstelling tot klassieke netwerken, kwantuminformatie wordt overgedragen tussen de knooppunten met behulp van enkele fotonen in plaats van sterke lichtpulsen.

Kwantuminformatienetwerken (bestaande uit materiekwantumknooppunten en kwantumcommunicatiekanalen) zullen een nieuw pad openen van ontwrichtende technologieën, inschakelen, bijvoorbeeld, perfect beveiligde gegevensoverdracht, verbeterde gegevensverwerking via gedistribueerde kwantumcomputing of geavanceerde kloksynchronisatietoepassingen, onder andere.