science >> Wetenschap >  >> Fysica

Wanneer geheugenqubits en fotonen verstrengeld raken

Fig. 1:Experimentele opstelling. Krediet:npj Quantum Informatie ISSN 2056-6387 (online)

Het versleutelen van gegevens op een manier die veilige communicatie garandeert, is een steeds grotere uitdaging, omdat cruciale componenten van de huidige versleutelingssystemen toekomstige kwantumcomputers niet kunnen weerstaan. Onderzoekers over de hele wereld werken daarom aan technologieën voor nieuwe encryptiemethoden die ook gebaseerd zijn op kwantumeffecten. Het fenomeen van de zogenaamde kwantumverstrengeling speelt hierbij een bijzonder belangrijke rol. Dit betekent dat in een kwantumnetwerk, de stationaire qubits van het netwerk zijn verstrengeld met het communicatiekanaal, die meestal uit fotonen (lichtdeeltjes) bestaat. Voor de eerste keer, natuurkundigen van de Universiteit van Bonn hebben nu kwantumverstrengeling kunnen aantonen tussen een stationaire qubit, d.w.z. een tweestatenkwantumsysteem, en een foton met directe koppeling aan een optische vezel. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift npj Quantum-informatie .

Kwantumsystemen komen voort uit de wereld van deeltjes en kleinste structuren en kunnen relevant zijn voor toekomstige technologieën. Als verschillende kwantuminformatiedragers (kwantumknooppunten) met elkaar zijn verbonden door kwantumkanalen, onderzoekers spreken van kwantumnetwerken. Sinds 2009, wetenschappers van de Universiteit van Bonn hebben gewerkt aan de realisatie van een kwantumnetwerkknooppunt waarin een enkel ion als geheugenqubit is gekoppeld aan een optische resonator als een licht-materie-interface.

Echter, voor de distributie van kwantuminformatie in een netwerk, de stationaire qubits van het netwerk moeten verstrengeld zijn met het communicatiekanaal. De fysieke reden is dat een kwantumtoestand niet op een klassieke manier kan worden gekopieerd en overgedragen. Fotonen worden meestal gebruikt als communicatiekanaal, die moeilijk op te slaan zijn, maar een snelle informatieoverdracht mogelijk maken. "De implementatie van efficiënte interfaces tussen fotonen en stationaire qubits is daarom cruciaal voor de snelheid van informatieoverdracht en de schaalbaarheid van een kwantumnetwerk, " legt eerste auteur Pascal Kobel uit, een doctoraat student in de onderzoeksgroep Experimentele Kwantumfysica aan de Universiteit van Bonn.

Selectie van de foton-uitlezingsbasis. Krediet:npj Quantum Informatie ISSN 2056-6387 (online)

Implementatie van een licht-materie interface

In hun experimentele opstelling de wetenschappers implementeerden een speciale interface tussen licht en materie. Hiertoe, ze gebruikten een optische resonator bestaande uit twee tegenover elkaar liggende spiegels gerealiseerd op de eindfacetten van twee optische vezels. Voor de holle spiegels, ze hebben een deel van de optische vezel geablateerd met een laserpuls en vervolgens de uiteinden van de optische vezel laten coaten met een reflecterende coating. De vezeldiameter van 150 micrometer was ongeveer in de orde van een haar (ongeveer 60 micrometer).

"De constructie en combinatie van zo'n resonator met een enkel ion is experimenteel uitdagend. Vezels en ionen moeten met een relatieve nauwkeurigheid van ongeveer één micrometer ten opzichte van elkaar worden geplaatst, " zegt co-auteur Moritz Breyer, tevens natuurkundige in de onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Dr. Michael Köhl aan de Universiteit van Bonn. Echter, het kleine resonatorvolume verhoogt de interactie tussen licht en materie, die hoge bandbreedtes mogelijk maakt voor de distributie van kwantuminformatie in een netwerk. Een ander voordeel is dat de fiberresonator leidt tot zogenaamde intrinsieke koppeling van fotonen aan optische vezels. Dit vereenvoudigt hun distributie in een netwerk aanzienlijk.

Met hun experimentele opstelling de wetenschappers slaagden er voor het eerst in om kwantumverstrengeling aan te tonen tussen een stationaire qubit en een foton uit een optische vezelresonator. Ze merkten op dat zelfs op een afstand van anderhalve meter, het enkele ion en het foton deelden een gemeenschappelijke verstrengelde kwantumtoestand. "Ons gepresenteerde systeem is zeer geschikt als een knooppunt in kwantumnetwerken, " benadrukt studieleider prof. dr. Michael Köhl, een lid van de Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence aan de universiteiten van Bonn, Keulen en Aken en Forschungszentrum Jülich en in het transdisciplinaire onderzoeksgebied "Bouwstenen van materie en fundamentele interacties". Het netwerk brengt onderzoekers uit verschillende disciplines samen om gezamenlijk te werken aan toekomstrelevante vragen aan de University of Excellence Bonn.

De resultaten van het onderzoek kunnen relevant zijn voor zogenaamde gedistribueerde kwantumcomputing of aantoonbaar veilige communicatie. In toekomstige studies, de onderzoekers zijn van plan hun systeem verder te ontwikkelen door, bijvoorbeeld, het verbeteren van de stabiliteit van de licht-materie-interface en het gebruiken van de opstelling voor de distributie van kwantumsleutels.