Traditionele manieren om verstrikkingen te produceren, noodzakelijk voor de ontwikkeling van een eventueel 'kwantuminternet' dat kwantumcomputers met elkaar verbindt, zijn niet erg geschikt voor glasvezelnetwerken die door het huidige niet-kwantuminternet worden gebruikt. Echter, onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht om dergelijke deeltjes te produceren die veel beter compatibel is.

In het huidige telecomnetwerk verbonden door glasvezelkabel, de fotonen die worden uitgezonden, worden meestal binnen enkele kilometers geabsorbeerd door het materiaal waarvan de kabel is gemaakt. Om verslechtering van het signaal te voorkomen, repeaters worden met regelmatige tussenpozen ingesteld om het te versterken.

Soortgelijke problemen zullen de inspanningen op het gebied van kwantumcommunicatie - en uiteindelijk een kwantuminternet - verpesten. Tomoyuki Horikiri en collega's van de Yokohama National University pakken dit probleem aan door een nieuwe bron van verstrengelde fotonen te ontwikkelen.

Hun bevindingen werden op 12 augustus gepubliceerd in Communicatie Fysica .

Een paar deeltjes, of qubits, raakt verstrikt wanneer de kwantumtoestand van elk van hen onontkoombaar verbonden is met de kwantumtoestand van het andere deeltje. Daarom, een meting die op de ene qubit wordt uitgevoerd, is altijd gecorreleerd met een meting op de andere qubit, ongeacht de afstand.

Deze verstrengeling, beroemd beschreven in popwetenschappelijke verklaringen als 'spookachtige actie op afstand, ' is de sleutel tot elke kwantumcommunicatie-infrastructuur van de toekomst.

Gebruikmakend van dit spookachtige fenomeen, onderzoekers kunnen verstrengelde fotonen gebruiken om informatie tussen twee locaties over te dragen. De zender heeft de helft van de verstrengelde fotonen en de ontvanger de andere helft. De twee gebruikers, bijvoorbeeld, kan een willekeurige geheime bitreeks voor codering tot stand brengen door de gedeelde verstrengeling.

Maar kwantumcommunicatie over lange afstand lijdt ook onder optische vezelverliezen, waarbij verstrengelde fotonen worden ontward door interactie met hun omgeving, en kwantumrepeaters, waar kwantumgeheugens worden geladen, nodig zou zijn om de afstand van kwantumcommunicatie te verlengen. De repeater slaat de kwantumtoestand op van fotonen die door gebruikers zijn verzonden. Een verstrengeling 'ruilen, ' uitgevoerd door een meting van de fotonen, verspreidt de verstrengeling effectief over veel langere afstanden, zoals hardlopers die de stokken uitdelen in een estafetteloop.

Een kwantumrepeater werkt via een herhaalde uitwisseling van kwantumtoestanden tussen licht en materie. Dit vereist een bron van verstrengelde deeltjes die compatibel is met kwantumgeheugen. Helaas, kwantumgeheugen absorbeert over het algemeen een smalle breedte van het spectrum van een lichtbundel (bekend als lijnbreedte), maar traditionele bronnen van een kwantumverstrengeld paar fotonen hebben een breed spectrum. Dit resulteert in een zeer slechte koppeling tussen een verstrengeld fotonenpaar en het kwantumgeheugen.

Tot dusver, pogingen om bronnen van verstrengelde fotonen te ontwikkelen hebben moeite gehad om te voldoen aan alle vereisten voor compatibiliteit van repeater-kwantumgeheugen en toepassing in de echte wereld:een groot aantal fotonen (voor grote hoeveelheden verkeer), smalle lijnbreedte, en hoge verstrengelingsgetrouwheid.

Al decenia, de meest gebruikelijke manier om verstrengelde deeltjes te produceren is een techniek die spontane parametrische neerwaartse conversie wordt genoemd, of SPDC. Het gebruikt kristallen om enkele hoogenergetische fotonen om te zetten in paren verstrengelde fotonen met de helft van de oorspronkelijke energie.

"Dit was geweldig voor experimenten met kwantuminformatie, " zei Horikiri. "Maar voor breedband kwantumcommunicatie, SPDC is niet erg compatibel met de zeer smalle energietransities die betrokken zijn bij de productie van het kwantumgeheugen dat nodig is voor kwantumrepeaters."

De onderzoekers verbeterden deze techniek in feite door het kristal in een vlinderdasvormige optische holte te plaatsen, en waren in staat om verstrengelde fotonen met succes over tien kilometer door optische vezels te verspreiden, eenmaal herhaald voor een totale totale afstand van 20 kilometer.

In navolging van dit proof-of-concept voor een nieuwe bron van verstrengelde fotonen die compatibel zijn met kwantumgeheugen en die met lage verliezen kunnen worden ingezet via glasvezelkabels, de onderzoekers willen hun techniek nu voor veel langere afstanden via meerdere repeaterknooppunten inzetten.