Onderzoekers van het Kastler Brossel-laboratorium in Parijs zijn erin geslaagd een nieuw "hybride" verstrengelingsuitwisselingsprotocol te implementeren, de verbinding van verschillende platforms in de toekomst binnen handbereik brengen, heterogeen gestructureerd, kwantum internet.

In de 29 mei ^e online uitgave van wetenschappelijke vooruitgang , Prof. Julien Laurat en zijn collega's bij LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Universiteit PSL, Collège de France), met medewerkers van NIST Boulder, hebben een belangrijke stap aangekondigd in de richting van de ontwikkeling van heterogene kwantumnetwerken. Het team heeft een manier aangetoond om verschillende soorten kwantumknooppunten met elkaar te verbinden die niet noodzakelijkerwijs op hetzelfde type codering zijn gebaseerd. Het inschakelen van een dergelijk type koppeling is een cruciale vereiste voor de onderlinge verbinding van verschillende fysieke platforms die specifieke kwantumverbeterde taken kunnen uitvoeren.

Kwantumnetwerken zijn samengesteld uit kwantumsystemen die zich op verre knooppunten bevinden en verbonden zijn via niet-klassieke correlaties die bekend staan ​​als verstrengeling - de 'spookachtige actie op afstand'. Er wordt aangenomen dat ze beter presteren dan de huidige klassieke netwerken in taken variërend van kwantumveilige communicatie tot verbeterde metingen. Net als bij klassieke netwerken, waar informatie kan worden gecodeerd in twee verschillende digitale of analoge coderingen, afhankelijk van de taken die voorhanden zijn, kwantumnetwerken kunnen vertrouwen op twee soorten coderingen, zoals geïllustreerd door de deeltje-golf dualiteit. Aan de ene kant, kant kan men de voorkeur geven aan de deeltjesaard van de kwantumbits (of qubits) in een codering die vergelijkbaar is met de digitale, en wordt 'discrete variabele' genoemd. Anderzijds, men zou de voorkeur kunnen geven aan het gebruik van de "continu-variabele, " analoog-achtig, codering die voortkomt uit de golvende aard van de deeltjes - een bekend gevolg van de kwantummechanica.

In kwantumnetwerken, de verbinding van afgelegen knooppunten wordt uitgevoerd door een specifieke bewerking die verstrengelingswisseling wordt genoemd. Deze procedure maakt het mogelijk om systemen te verbinden die nog nooit eerder interactie hebben gehad met behulp van een gespecialiseerde meting tussen twee andere bronnen die afzonderlijk verstrengeld zijn met de betrokken systemen. Deze operatie, bekend als Bell-state meting, brengt de verstrengeling effectief over - of "teleporteert" - naar de uiteindelijke systemen. Echter, vanwege de kwetsbaarheid van de verstrengeling, het implementeren van een protocol dat zo centraal staat bij het tot stand brengen van kwantumverbindingen is een echte uitdaging voor natuurkundigen. Om de overdracht van verstrengeling en de verbinding tussen verschillende soorten knooppunten te bereiken, er moeten twee sterk verstrengelde toestanden worden geproduceerd, in het bijzonder één "hybride verstrengelde" toestand tussen deeltjesachtige en golfachtige qubits. Het team van LKB heeft met succes vermeerderd, uit deze twee bronnen, verstrengeling tussen verschillende lichttoestanden die nooit rechtstreeks met elkaar in wisselwerking stonden.

"Dit werk is een opstap voor verder onderzoek naar de implementatie van heterogene kwantumnetwerken, " zegt Tom Darras, een afgestudeerde student aan LKB en een van de toonaangevende auteurs van het papier. "Tot dusver, twee gemeenschappen ontwikkelden kwantumcommunicatie via verschillende routes. Nu de brug is gebouwd, we verwachten te zien, door gebruik te maken van de voordelen van elke branche, de opkomst van nieuwe hybride scenario's die veel verder gaan dan de huidige ontwikkelingen."

De twee optische verstrengelde toestanden die bij het experiment betrokken zijn, zijn ontworpen met behulp van optische parametrische oscillatoren, die efficiënte niet-lineaire bronnen zijn. Een verstrengelde toestand wordt verkregen door een enkel foton te "splitsen" tussen twee verschillende paden, zonder te weten welk pad gevolgd wordt. De andere is een "hybride-verstrengelde" toestand tussen een discrete-variabele optische qubit en een continu-variabele Schrödinger-kat optische qubit - verwijzend naar Schrödinger's Gekanden-experiment dat een macroscopisch object koppelt aan een kwantumsysteem. Zodra verstrengeling is gegenereerd door een aankondigingsproces, het wordt vervolgens verwisseld via een unieke hybride Bell-state-meting. De auteurs hebben elke stap van deze demonstratie volbracht, van het creëren van de aanvankelijke verstrengelde toestanden tot het volledig karakteriseren van de verstrengeling na de verwisseling.

"De volledige teamexpertise in technische verstrengeling, gekoppeld aan state-of-the-art tools voor het genereren en karakteriseren van kwantumtoestanden, was essentieel voor het succes van het protocol", voegt Giovanni Guccione toe, een postdoctoraal onderzoeker van Marie Curie die ook een van de belangrijkste auteurs van de studie is.

Naast het creëren van een link tussen verschillende gebruikers, het experiment is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van schaalbare netwerken. "Verstrengeling is een inherent kwetsbare hulpbron, wat betekent dat de verspreiding ervan over grotere afstanden een grote uitdaging vormt", merkt Adrien Cavaillès op, postdoctoraal onderzoeker en corresponderend auteur van het artikel. "Omdat het het toegankelijke distributiebereik uitbreidt, het verstrengelingsuitwisselingsprotocol dat door de groep wordt uitgevoerd, is een cruciale mogelijkheid voor toekomstige grootschalige hybride kwantumnetwerken."

Het werk gerapporteerd in wetenschappelijke vooruitgang is een belangrijke prestatie in de richting van de onderlinge verbinding van verschillende fysieke platforms. Echter, de onderzoekers benadrukken ook dat "hoewel het vermogen om kwantumknooppunten van verschillende aard te verbinden nu binnen handbereik is, de verbinding is voorlopig alleen beperkt tot optische systemen, en moet worden uitgebreid naar vele andere fysieke platforms." Een volledig functionele heterogene kwantumnetwerken vereist nog steeds aanzienlijke vooruitgang in de engineering en overdracht van verstrengeling tussen verschillende materiesystemen.

Deze demonstratie bouwt voort op de eerdere vorderingen in de groep van Prof. Laurat in de afgelopen jaren, van de eerste demonstratie van hybride verstrengeling tussen deeltjesachtige en golfachtige qubits tot de engineering van hybride toestanden en hun gebruik in kwantuminformatieprotocollen, hetzij voor voorbereiding op afstand of veiligheidscertificering.

De andere auteurs zijn Hanna Le Jeannic, een eerdere afgestudeerde student aan LKB, Varun B. Verma en Sae Woo Nam, medewerkers bij NIST Boulder. Dit werk werd ondersteund door de Europese Onderzoeksraad, het Franse nationale onderzoeksbureau (project Hy-Light), Sorbonne Université en de Région Ile-de-France in het kader van de DIM Sirteq.

De titel van het artikel is "Heterogene kwantumnetwerken verbinden door hybride verstrengeling swapping." Het is beschikbaar in de 29 mei ^e online uitgave van wetenschappelijke vooruitgang .