Onderzoekers van de Sorbonne University in Parijs hebben een zeer efficiënte overdracht van kwantumverstrengeling in en uit twee kwantumgeheugenapparaten bereikt. Deze prestatie brengt een belangrijk ingrediënt voor de schaalbaarheid van een toekomstig kwantuminternet.

Een kwantuminternet dat meerdere locaties met elkaar verbindt, is een belangrijke stap in de wereldwijde roadmaps voor kwantumtechnologie. In deze context, het European Quantum Flagship Program lanceerde in 2018 de Quantum Internet Alliance. Dit consortium, gecoördineerd door Stephanie Wehner (QuTech-Delft) bestaat uit 12 toonaangevende onderzoeksgroepen aan universiteiten uit acht Europese landen, in nauwe samenwerking met meer dan 20 bedrijven en instellingen. Ze bundelden hun middelen en expertise om een ​​blauwdruk te ontwikkelen voor een toekomstig quantum-internet en de benodigde technologieën.

Een kwantuminternet gebruikt een intrigerend kwantumfenomeen om verschillende knooppunten in een netwerk met elkaar te verbinden. Bij een normale netwerkverbinding knooppunten wisselen informatie uit door elektronen of fotonen heen en weer te sturen, waardoor ze kwetsbaar zijn voor afluisteren. In een kwantumnetwerk de knooppunten zijn verbonden door verstrengeling, Einsteins beroemde 'spookachtige actie op afstand'. Deze niet-klassieke correlaties op grote afstanden zouden niet alleen veilige communicatie mogelijk maken die verder gaat dan directe transmissie, maar ook gedistribueerde kwantumcomputers of verbeterde detectie.

Echter, een grote uitdaging bij het bouwen van grootschalige kwantumnetwerken is het vermogen om dergelijke correlaties tussen verre knooppunten te genereren. In principe, deze uitdaging kan worden overwonnen als verstrengeling betrouwbaar wordt opgeslagen in kwantumgeheugenapparaten. Door de lange afstand op te splitsen in verschillende kortere segmenten, het is mogelijk om verstrengeling te creëren tussen de uiteinden van deze elementaire schakels, en verbind ze vervolgens totdat beide initiële knooppunten verstrengeld zijn. De kwantumgeheugenapparaten slaan de verstrengeling op, ervoor te zorgen dat er verstrengeling is ontstaan ​​over alle segmenten voordat de verbindingen worden uitgevoerd. Dit protocol staat bekend als een kwantumrepeater.

Een kritische parameter is de efficiëntie van de kwantumgeheugenapparaten:als een apparaat faalt in het opnemen of ophalen van het verstrengelde licht, de kwantumrepeater kan niet goed functioneren. Bijvoorbeeld, een verhoging van de opslag- en ophaalefficiëntie van 60% naar 90% vermindert de gemiddelde tijd voor verstrengelingsdistributie over een afstand van 600 kilometer drastisch, meestal met twee orden van grootte. Een van de doelen van het QIA-consortium is om de basis te leggen voor kwantumrepeatertechnologie door zeer efficiënte geheugenapparaten te bouwen voor verstrengeling met behulp van verschillende fysieke platforms.

In het online nummer van oktober 2020 van optiek , Prof. Julien Laurat en zijn team van Kastler Brossel Laboratory (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Universiteit PSL, Collège de France) meldde een langverwachte stap voor dit streven. Ze hebben de opslag en het ophalen van verstrengelde lichtstralen in twee kwantumgeheugenapparaten aangetoond, met een algemeen rendement van maar liefst 85%. Deze waarde vormt een meer dan drievoudige toename ten opzichte van eerdere werken in het veld.

"Deze prestatie is het resultaat van 10 jaar experimentele ontwikkelingen in ons laboratorium. Het opent nu de weg naar verder onderzoek, aangezien veel potentiële netwerkarchitecturen een dergelijke efficiëntiewaarde voor schaalbaarheid aannemen, " zegt Felix Hoffet, een doctoraat student aan LKB en een van de belangrijkste auteurs van het papier.

Het Parijs-experiment omvatte een zeer langwerpig ensemble van lasergekoelde cesiumatomen en was gebaseerd op het protocol dat elektromagnetisch geïnduceerde transparantie wordt genoemd. Een controlelaserstraal maakt het medium transparant en vertraagt ​​het invallende signaallicht dat de informatie draagt. Wanneer het signaal zich in het ensemble bevindt en de controlestraal is uitgeschakeld, de informatie wordt omgezet in een collectieve excitatie van de atomen, die wordt opgeslagen totdat de controlestralen weer worden ingeschakeld. Het team van Laurat genereerde eerst twee lichtstralen die verstrengeld zijn en bracht ze vervolgens in kaart in twee herinneringen volgens dit protocol. Door specifieke atomaire overgangen te gebruiken en een zeer grote absorptie in elk geheugen te bereiken, de onderzoekers konden de verstrengeling met ongekende efficiëntie schrijven en uitlezen, met behoud van een zeer geluidsarme vervuiling.

"Onze recordefficiëntie vereiste eerst een sterke theoretische inspanning om de beperkende factoren in onze eerdere implementatie beter te begrijpen en vervolgens een experimenteel hoogstandje om alle vereiste ingrediënten samen te combineren, " voegt Mingtao Cao toe, een voormalig postdoctoraal onderzoeker van Marie Curie en de andere toonaangevende auteur van het artikel. Alexandra Sheremet, een voormalige Marie Curie Fellow en ook een auteur van het artikel, speelde een sleutelrol bij het simuleren van het hele proces en rekening houdend met de complexiteit van meerdere energieniveaus in dit atomaire systeem.

Het werk gerapporteerd in optiek is een opstapje voor verder onderzoek. Echter, het pad voor het bouwen van grootschalige netwerken is nog steeds geplaveid met uitdagingen. Bijvoorbeeld, efficiënte kwantumgeheugenapparaten moeten ook lange opslagtijden hebben om verstrengeling sneller te creëren dan verloren gaat. Deze kritieke functie kan ook gepaard gaan met de mogelijkheid om verschillende informatie parallel op te slaan. Het QIA-consortium pakt deze verschillende aspecten aan, zowel theoretisch als experimenteel. Het team van prof. Laurat in Parijs richt zich bijvoorbeeld op de ontwikkeling van "ruimtelijk gemultiplexte" herinneringen die verschillende toestanden tegelijkertijd kunnen opslaan om kwantumverbindingen te parallelliseren.