Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een systeem bedacht en gedemonstreerd dat de prestaties van communicatienetwerken drastisch zou kunnen verbeteren en tegelijkertijd record-lage foutpercentages mogelijk maakt bij het detecteren van zelfs de zwakste signalen, waardoor de totale hoeveelheid energie die nodig is voor geavanceerde netwerken mogelijk met een factor 10 tot 100 wordt verminderd.

Het proof-of-principle-systeem bestaat uit een nieuwe ontvanger en bijbehorende signaalverwerkingstechniek die, in tegenstelling tot de methoden die in de huidige netwerken worden gebruikt, zijn volledig gebaseerd op de eigenschappen van de kwantumfysica en kunnen daardoor zelfs extreem zwakke signalen verwerken met pulsen die veel gegevensbits bevatten.

"We hebben het communicatietestbed gebouwd met behulp van kant-en-klare componenten om aan te tonen dat communicatie met kwantummeting mogelijk kan worden opgeschaald voor wijdverbreid commercieel gebruik, " zei Ivan Burenkov, een natuurkundige aan het Joint Quantum Institute, een onderzoekspartnerschap tussen NIST en de Universiteit van Maryland. Burenkov en zijn collega's rapporteren de resultaten in Fysieke beoordeling X Quantum . "Onze inspanning laat zien dat kwantummetingen andere waardevolle, tot nu toe onvoorziene voordelen voor telecommunicatie die leiden tot revolutionaire verbeteringen in kanaalbandbreedte en energie-efficiëntie."

Moderne communicatiesystemen werken door informatie om te zetten in een door laser gegenereerde stroom van digitale lichtpulsen waarin informatie wordt gecodeerd - in de vorm van veranderingen in de eigenschappen van de lichtgolven - voor overdracht en vervolgens gedecodeerd wanneer deze de ontvanger bereikt. De trein van pulsen wordt zwakker als hij langs transmissiekanalen reist, en conventionele elektronische technologie voor het ontvangen en decoderen van gegevens heeft de limiet bereikt van zijn vermogen om de informatie in dergelijke verzwakte signalen nauwkeurig te detecteren.

De signaalpuls kan afnemen tot hij zo zwak is als een paar fotonen - of gemiddeld zelfs minder dan één. Op dat punt, onvermijdelijke willekeurige kwantumfluctuaties genaamd "shot noise" maken nauwkeurige ontvangst onmogelijk door normaal ("klassiek, " in tegenstelling tot kwantum) technologie omdat de onzekerheid veroorzaakt door de ruis zo'n groot deel van het verminderde signaal uitmaakt. bestaande systemen moeten de signalen herhaaldelijk langs de transmissielijn versterken, tegen aanzienlijke energiekosten, houden ze sterk genoeg om betrouwbaar te detecteren.

Het systeem van het NIST-team kan de noodzaak voor versterkers elimineren, omdat het zelfs extreem zwakke signaalpulsen op betrouwbare wijze kan verwerken:"De totale energie die nodig is om één bit te verzenden, wordt een fundamentele factor die de ontwikkeling van netwerken belemmert, " zei Sergey Polyakov, senior wetenschapper in het NIST-team. "Het doel is om de hoeveelheid energie die lasers nodig hebben te verminderen, versterkers, detectoren, en ondersteunende apparatuur om informatie betrouwbaar over langere afstanden te verzenden. In ons werk hier hebben we aangetoond dat met behulp van kwantummeting zelfs zwakke laserpulsen kunnen worden gebruikt om meerdere stukjes informatie te communiceren - een noodzakelijke stap in de richting van dit doel."

Om de snelheid waarmee informatie kan worden verzonden te verhogen, netwerkonderzoekers vinden manieren om meer informatie per puls te coderen door gebruik te maken van aanvullende eigenschappen van de lichtgolf. Dus een enkele laserlichtpuls, afhankelijk van hoe het oorspronkelijk was voorbereid voor verzending, kan meerdere bits gegevens bevatten. Om de detectienauwkeurigheid te verbeteren, quantum-enhanced ontvangers kunnen worden gemonteerd op klassieke netwerksystemen. Daten, die hybride combinaties kunnen tot twee bits per puls verwerken. Het NIST-kwantumsysteem gebruikt maximaal 16 verschillende laserpulsen om maar liefst vier bits te coderen.

Om dat vermogen aan te tonen, de NIST-onderzoekers creëerden een invoer van zwakke laserpulsen vergelijkbaar met een aanzienlijk verzwakt conventioneel netwerksignaal, met het gemiddelde aantal fotonen per puls van 0,5 tot 20 (hoewel fotonen hele deeltjes zijn, een getal kleiner dan één betekent simpelweg dat sommige pulsen geen fotonen bevatten).

Na het voorbereiden van dit ingangssignaal, de NIST-onderzoekers profiteren van zijn golfachtige eigenschappen, zoals interferentie, totdat het uiteindelijk de detector raakt als fotonen (deeltjes). Op het gebied van de kwantumfysica, licht kan werken als deeltjes (fotonen) of als golven, met eigenschappen zoals frequentie en fase (de relatieve posities van de golfpieken).

In de ontvanger, de pulstrein van het ingangssignaal combineert (interfereert) met een aparte, regelbare verwijzingslaserstraal, die de frequentie en fase van de gecombineerde lichtstroom regelt. Het is buitengewoon moeilijk om de verschillende gecodeerde toestanden in zo'n zwak signaal te lezen. Het NIST-systeem is dus ontworpen om de eigenschappen van de hele signaalpuls te meten door te proberen de eigenschappen van de referentielaser er precies op af te stemmen. De onderzoekers bereiken dit door een reeks opeenvolgende metingen van het signaal, die elk de kans op een nauwkeurige match vergroten.

Dat wordt gedaan door de frequentie en fase van de referentiepuls zo aan te passen dat deze destructief interfereert met het signaal wanneer ze worden gecombineerd bij de bundelsplitser, waardoor het signaal volledig wordt uitgeschakeld, zodat er geen fotonen kunnen worden gedetecteerd. In dit schema is schotgeluid speelt geen rol:Totale annulering kent geen onzekerheid.

Dus, niet intuïtief, een perfect nauwkeurige meting zorgt ervoor dat er geen foton de detector bereikt. Als de referentiepuls de verkeerde frequentie heeft, een foton kan de detector bereiken. De ontvanger gebruikt de tijd van die fotondetectie om de meest waarschijnlijke signaalfrequentie te voorspellen en past de frequentie van de referentiepuls dienovereenkomstig aan. Als die voorspelling nog steeds niet klopt, de detectietijd van het volgende foton resulteert in een nauwkeurigere voorspelling op basis van beide fotondetectietijden, enzovoort.

"Zodra het signaal interageert met de referentiestraal, de kans op het detecteren van een foton varieert in de tijd, "Burenkov zei, "en bijgevolg bevatten de fotondetectietijden informatie over de invoerstatus. We gebruiken die informatie om de kans te maximaliseren om correct te raden na de allereerste fotondetectie.

"Ons communicatieprotocol is ontworpen om verschillende temporele profielen te geven voor verschillende combinaties van het signaal en het referentielicht. Vervolgens kan de detectietijd worden gebruikt om met enige zekerheid onderscheid te maken tussen de ingangstoestanden. De zekerheid kan in het begin vrij laag zijn, maar het wordt tijdens de meting verbeterd. We willen de referentiepuls na de allereerste fotondetectie in de juiste toestand schakelen omdat het signaal maar een paar fotonen bevat, en hoe langer we het signaal meten met de juiste referentie, hoe beter ons vertrouwen in het resultaat."

Polyakov besprak de mogelijke toepassingen. "De toekomstige exponentiële groei van internet vereist een paradigmaverschuiving in de technologie achter communicatie, " zei hij. "Quantummeting zou deze nieuwe technologie kunnen worden. We hebben record-lage foutenpercentages aangetoond met een nieuwe kwantumontvanger in combinatie met het optimale coderingsprotocol. Onze aanpak zou de energie voor telecommunicatie aanzienlijk kunnen verminderen."