Quantumcommunicatie - waarbij informatie door deeltjes wordt verzonden, typisch verstrengelde fotonen - heeft het potentieel om het ultieme veilige communicatiekanaal te worden. Niet alleen is het bijna onmogelijk om kwantumcommunicatie af te luisteren, degenen die het proberen, zullen ook bewijs achterlaten van hun indiscreties.

Echter, het verzenden van kwantuminformatie via fotonen via traditionele kanalen, zoals glasvezelkabels, is moeilijk:de fotonen die de informatie dragen, zijn vaak beschadigd of verloren, waardoor de signalen zwak of onsamenhangend worden. Vaak moet een bericht meerdere keren worden verzonden om er zeker van te zijn dat het is doorgekomen.

In een nieuwe krant wetenschappers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago hebben een nieuwe kwantumcommunicatietechniek gedemonstreerd die deze kanalen volledig omzeilt. Door twee communicatieknooppunten aan een kanaal te koppelen, ze laten zien dat deze nieuwe techniek informatie kwantummechanisch tussen de knooppunten kan verzenden - zonder ooit het verbindingskanaal te bezetten.

Het onderzoek, geleid door Prof. Andrew Cleland en gepubliceerd op 17 juni in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , maakt gebruik van het spookachtige kwantumfenomeen van verstrengeling tussen de twee knooppunten en toont een mogelijke nieuwe richting voor de toekomst van kwantumcommunicatie.

Het onderzoek sluit aan bij een tweede recent gepubliceerd artikel, waar de groep van Cleland voor het eerst twee fononen verstrengelde - de kwantumdeeltjes van geluid, de deur openen naar potentiële nieuwe technologieën.

"Beide papers vertegenwoordigen een nieuwe manier om kwantumtechnologie te benaderen, " zei Cleland, de John A. MacLean Sr. Professor of Molecular Engineering bij Pritzker Molecular Engineering en een senior scientist bij Argonne National Laboratory. "We zijn enthousiast over wat deze resultaten kunnen betekenen voor de toekomst van kwantumcommunicatie en solid-state kwantumsystemen."

Spookachtige kwantumcommunicatie

Verstrengelde fotonen en fononen tarten intuïtie:deze deeltjes kunnen kwantummechanisch verstrengeld zijn, een verstrengeling die over grote afstanden kan overleven. Een verandering in het ene deeltje roept dan spookachtig een verandering in het andere op. Quantumcommunicatie maakt gebruik van dit fenomeen door informatie in de deeltjes te coderen.

Cleland wilde een methode vinden om kwantuminformatie te verzenden zonder deze in de transmissie te verliezen. Hij en zijn team, inclusief PME-afgestudeerde student Hung-Shen Chang, ontwikkelde een systeem dat twee communicatieknooppunten verstrengelde met behulp van microgolffotonen - dezelfde fotonen die in uw mobiele telefoon worden gebruikt - via een microgolfkabel. Voor dit experiment is ze gebruikten een magnetronkabel van ongeveer een meter lang. Door het systeem gecontroleerd aan en uit te zetten, ze waren in staat om de twee knooppunten in kwantum te verstrengelen en informatie tussen hen te verzenden - zonder ooit fotonen door de kabel te hoeven sturen.

"We hebben informatie overgedragen via een kabel van één meter zonder fotonen te sturen om dit te doen, een behoorlijk spookachtige en ongewone prestatie, ' zei Cleland. 'In principe, dit zou ook werken over een veel grotere afstand. Het zou veel sneller en efficiënter zijn dan systemen die fotonen door glasvezelkanalen sturen."

Hoewel het systeem beperkingen heeft, moet het erg koud worden gehouden, bij temperaturen een paar graden boven het absolute nulpunt - het zou mogelijk bij kamertemperatuur kunnen werken met atomen in plaats van fotonen. Maar het systeem van Cleland biedt meer controle, en hij en zijn team voeren experimenten uit die verschillende fotonen in een meer gecompliceerde toestand met elkaar zouden verstrengelen.

Fononen verstrengelen met dezelfde techniek

Verstrengelde deeltjes zijn niet alleen beperkt tot fotonen of atomen, echter. In een tweede artikel gepubliceerd op 12 juni in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , Cleland en zijn team hebben voor het eerst twee fononen verstrengeld - het kwantumdeeltje van geluid.

Met behulp van een systeem dat is gebouwd om met fononen te communiceren, vergelijkbaar met het foton-kwantumcommunicatiesysteem, het team, waaronder voormalig postdoctoraal fellow Audrey Bienfait, verstrengelde twee microgolffonons (die ongeveer een miljoen keer hogere toonhoogte hebben dan met het menselijk oor kan worden gehoord).

Toen de fononen eenmaal verstrengeld waren, het team gebruikte een van de fononen als een "heraut, " die werd gebruikt om te beïnvloeden hoe hun kwantumsysteem de andere fonon gebruikte. De heraut stond het team toe een zogenaamd "kwantumgum" -experiment uit te voeren, waarbij informatie uit een meting wordt gewist, zelfs nadat de meting is voltooid.

Hoewel fononen veel nadelen hebben ten opzichte van fotonen, bijvoorbeeld, ze hebben de neiging om een ​​​​kortere levensduur te hebben - ze hebben een sterke interactie met een aantal solid-state kwantumsystemen die mogelijk niet sterk interageren met fotonen. Phonons kunnen een betere manier zijn om aan deze systemen te koppelen

"Het opent een nieuw venster in wat je kunt doen met kwantumsystemen, misschien vergelijkbaar met de manier waarop zwaartekrachtgolfdetectoren, die ook mechanische beweging gebruiken, hebben een nieuwe telescoop op het heelal geopend, ' zei Cleland.