Wetenschappers van het Argonne National Laboratory en de University of Chicago hebben vorige week een nieuw testbed gelanceerd voor kwantumcommunicatie-experimenten vanuit Argonne.

De kwantumlus bestaat uit een paar verbonden 26-mijls glasvezelkabels die kronkelig slingeren tussen Argonne naar de Illinois Tollway nabij Bolingbrook in de buitenwijken en terug. Op 52 totale mijlen, het is een van de langste op de grond gebaseerde kwantumcommunicatiekanalen in het land.

De lus zal dienen als een testbed voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het gebruik van de principes van de kwantumfysica om onhackbare informatie over lange afstanden te verzenden. Onderzoekers van Argonne en UChicago zijn van plan om het testbed te gebruiken om de wetenschap die ten grondslag ligt aan kwantumengineeringsystemen te onderzoeken en om de eigenschappen van kwantumverstrengeling te benutten - een fenomeen dat Albert Einstein bekendstond als 'spookachtige actie op afstand'. Kwantumverstrengeling verbindt twee (of meer) deeltjes zodat ze zich in een gedeelde toestand bevinden, zodat wat er met de ene gebeurt, de andere onmiddellijk beïnvloedt, hoe ver ze ook uit elkaar zijn gereisd.

"De inhuldiging van deze kwantumlus is een belangrijke stap voor Chicago en de natie bij het bouwen van een grootschalig kwantumnetwerk dat veilige gegevensoverdracht over lange afstanden mogelijk maakt, " zei hoofdonderzoeker David Awschalom, senior wetenschapper in de Materials Science Division in Argonne, de Liew Family Professor in Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago en directeur van de Chicago Quantum Exchange. "De lus stelt ons in staat om uitdagingen bij het bedienen van een kwantumnetwerk te identificeren en aan te pakken en kan worden geschaald om communicatie over nog grotere afstanden te testen en te demonstreren om de basis te leggen voor een kwantuminternet."

Argonne-wetenschappers Joe Heremans, Alan Dibos en Gary Wolfowicz, die aan het Quantum Loop-project hebben gewerkt, demonstreerde de werking van het testbed door optische pulsen te genereren en te verzenden via één en vervolgens beide vezellussen. Ze waren getuige van een vertraging van 200 microseconden voor de looptijd van de laserpuls langs één vezellus, wat overeenkomt met de lichtsnelheid in de glasvezel.

Ze begonnen de lus ook te gebruiken voor een reeks experimenten, inclusief het verzenden van signalen van fotonen die worden uitgezonden door ensembles van ionen. Deze ionen kunnen worden gebruikt als een kwantumgeheugen voor het netwerk. Een functioneel kwantumgeheugen, die het opslaan en ophalen van kwantumtoestanden met zich meebrengt, is een belangrijke technologische vooruitgang die nodig is voor kwantumcommunicatie en een kwantuminternet.

"We zullen veel van deze kwantumgeheugens nodig hebben, verspreid over ongeveer 100 kilometer om het kwantumsignaal door een netwerk te sturen. De kwantumlus stelt ons in staat om deze kwantumgeheugentechnologie te testen en te verfijnen voordat we deze op grote schaal kunnen inzetten, " zei Tian Zhong, wetenschapper in de Nanoscience and Technology Division in Argonne en assistent-professor moleculaire engineering aan de Universiteit van Chicago.

"Onderzoek dat leidt tot wetenschappelijke infrastructuur, zoals de kwantumlus, zal ervoor zorgen dat Amerika een wereldleider blijft in deze cruciale, snel evoluerend veld, die belangrijke nieuwe wegen voor onderzoek zullen openen op gebieden zoals de overdracht van kwantumgegevens en veilige communicatie, " zei Paul Dabbar, onderminister van Wetenschap van het ministerie van Energie. "We kijken uit naar een aanhoudende grotere steun en prestaties voor dit en andere gebieden van de kwantuminformatiewetenschap."

"Deze kwantumlus is een belangrijk vermogen voor de wetenschappelijke gemeenschappen in de kwantumfysica, communicatie en computergebruik, " zei Paul Kearns, directeur van het Argonne National Laboratory. "Deze experimenten laten zien hoe de toonaangevende wetenschappers en ingenieurs van Argonne helpen om het leiderschap van de VS op het gebied van essentiële kwantuminformatiewetenschap te verzekeren."

Naast de kwantumlus, Argonne is van plan om samen met Fermi National Accelerator Laboratory een tweerichtings kwantumlinknetwerk te ontwikkelen. Als de twee projecten met elkaar verbonden zijn, de kwantumlink, ook ondersteund door het ministerie van Energie, zal naar verwachting een van de langste verbindingen ter wereld zijn om veilige informatie te verzenden met behulp van kwantumfysica.