Tijdens de jaren '90, ingenieurs boekten grote vooruitgang op het gebied van telecom en breidden het netwerk uit tot ver buiten de steden en grootstedelijke gebieden. Om deze schaalbaarheidsfactor te bereiken, ze gebruikten repeaters, die verzwakte signalen verbeterden en deze in staat stelden grotere afstanden af ​​te leggen met dezelfde kenmerken zoals intensiteit of trouw. Nutsvoorzieningen, met de toevoeging van satellieten, het is volkomen normaal om midden op een berg in Europa te zijn en te praten met je dierbaren die in het andere deel van de wereld wonen.

Op weg naar het bouwen van het toekomstige kwantuminternet, kwantumgeheugens spelen dezelfde rol. Samen met bronnen van qubits, zij zijn de bouwstenen van dit nieuwe internet, fungeren als kwantumherhalers van gegevensbewerkingen en gebruiken superpositie en verstrengeling als de belangrijkste ingrediënten van het systeem. Maar om zo'n systeem op kwantumniveau te laten werken, de verstrengeling tussen kwantumgeheugens moest over lange afstanden worden gecreëerd en zo efficiënt mogelijk worden onderhouden.

Allemaal samen in één

In een recent gepubliceerde studie in Natuur , ICFO-wetenschappers Dario Lago, Samuel Grandi, Alessandro Seri en Jelena Rakonjac, onder leiding van ICREA Prof bij ICFO, Hugues de Riedmatten, schaalbaar hebben bereikt, door telecom aangekondigde materie-materie verstrengeling tussen twee afgelegen, multimode en solid-state kwantumgeheugens. In eenvoudiger woorden, ze konden opslaan, gedurende maximaal 25 microseconden, één enkel foton in twee kwantumgeheugens die 10 meter van elkaar verwijderd zijn.

De onderzoekers wisten dat het foton zich in een van de twee geheugens bevond, maar ze wisten niet in welke, die dit contra-intuïtieve idee benadrukte dat we hebben van de natuur, waardoor het foton tegelijkertijd in een kwantumsuperpositietoestand kan zijn in de twee kwantumgeheugens, maar, wonderbaarlijk, 10 meter uit elkaar. Het team wist ook dat de verstrengeling was ontstaan ​​met de detectie van een foton op de telecomgolflengte, en het werd op een gemultiplexte manier opgeslagen in de kwantumgeheugens, "een functie die lijkt op het mogelijk maken van meerdere berichten tegelijkertijd in een klassiek kanaal." Deze twee belangrijke kenmerken zijn voor het eerst samen bereikt en vormen de opstap om dit schema uit te breiden naar veel langere afstanden.

Als Dario Lago, een doctoraat student bij ICFO en eerste auteur van de studie, wijst enthousiast op "Tot nu toe, verschillende van de mijlpalen die in dit experiment zijn bereikt, zijn gedaan door andere groepen, zoals het verstrengelen van kwantumgeheugens of het realiseren van opslag van de fotonen in kwantumgeheugens met een zeer hoog rendement en hoge snelheden. Maar, het unieke van dit experiment is dat onze technieken zeer hoge snelheden behaalden en kunnen worden uitgebreid tot langere afstanden."

Het experiment opzetten

Het bereiken van deze mijlpaal kostte veel moeite en tijd. In de loop van enkele maanden, het team heeft het experiment opgezet, waar ze een met zeldzame aarde gedoteerd kristal als kwantumgeheugen gebruikten voor de basis van hun test.

Vervolgens, ze namen twee bronnen die gecorreleerde paren enkele fotonen genereerden. In elk paar, één foton, genaamd leegloper, bevindt zich op een 1436nm (telecomgolflengte), en de andere, genoemd signaal, bevindt zich op een golflengte van 606nm. De enkelvoudige signaalfotonen, werden naar een kwantumgeheugen gestuurd, samengesteld uit miljoenen atomen die allemaal willekeurig in een kristal zijn geplaatst, en daar opgeslagen via een protocol genaamd atomaire frequentiekam. naast, de niet-actieve fotonen, ook wel aankondigende of boodschapperfotonen genoemd, werden door een optische vezel gestuurd naar een apparaat genaamd beam-splitter, waar de informatie over hun oorsprong en pad volledig werd gewist. Samuel Grandi, postdoctoraal onderzoeker en co-eerste auteur van de studie, opmerkingen, "We hebben elk kenmerk gewist dat ons zou vertellen waar de inactieve fotonen vandaan kwamen, laat het bron 1 of 2 zijn, en we deden dit omdat we geen informatie wilden weten over het signaalfoton en in welk kwantumgeheugen het werd opgeslagen." Door deze functies te wissen, het signaalfoton kan zijn opgeslagen in elk van de kwantumgeheugens, wat betekent dat er een verstrengeling tussen hen is ontstaan.

Elke keer dat de wetenschappers op de monitor een klik zagen van een stilstaand foton dat bij de detector arriveerde, zij konden bevestigen en verifiëren dat er, in feite, verstrikking. Deze verstrengeling bestond uit een signaalfoton in een superpositietoestand tussen de twee kwantumgeheugens, waar het werd opgeslagen als een excitatie die werd gedeeld door tientallen miljoenen atomen gedurende maximaal 25 microseconden.

Zoals Sam en Dario al zeiden, "Het merkwaardige van het experiment is dat het niet mogelijk is om te weten of het foton in het kwantumgeheugen in laboratorium 1 of in laboratorium 2 is opgeslagen, die op meer dan 10 meter afstand lag. Hoewel dit het belangrijkste kenmerk van ons experiment was, en een die we hadden verwacht, de resultaten in het lab waren nog steeds contra-intuïtief, en nog vreemder en verbluffender voor ons is dat we in staat waren om het te beheersen!"

Het belang van aangekondigde fotonen

De meeste van de eerdere studies die met verstrengeling en kwantumherinneringen hebben geëxperimenteerd, gebruikten fotonen om te weten of de verstrengeling tussen kwantumherinneringen al dan niet succesvol was geweest. Een aankondigend foton is als een bodeduif en de wetenschappers kunnen bij aankomst weten dat de verstrengeling tussen de kwantumherinneringen is vastgesteld. Wanneer dit gebeurt, de verstrikkingspogingen stoppen en de verstrengeling wordt opgeslagen in de herinneringen voordat deze wordt geanalyseerd.

In dit experiment, de wetenschappers gebruikten een aankondigingsfoton in de telecomfrequentie, bevestigen dat de verstrengeling die wordt geproduceerd kan worden vastgesteld met een foton dat compatibel is met bestaande telecomnetwerken, een belangrijke prestatie omdat het verstrengeling mogelijk maakt over lange afstanden en, nog meer, maakt het mogelijk deze kwantumtechnologieën eenvoudig te integreren in de bestaande klassieke netwerkinfrastructuren.

Multiplexen is de sleutel

Multiplexing is het vermogen van een systeem om meerdere berichten tegelijkertijd te verzenden via slechts één transmissiekanaal. In de klassieke telecommunicatie dit is een veelgebruikt hulpmiddel om gegevens via internet te verzenden. In kwantumrepeaters, een dergelijke techniek is iets complexer. Met standaard kwantumgeheugens, men moet wachten op de boodschap die de verstrengeling aankondigt om terug te keren naar de herinneringen, voordat men opnieuw kan proberen verstrengeling te creëren. Maar met het gebruik van het atomaire frequentiekamprotocol, die deze multiplexbenadering mogelijk maakt, konden de onderzoekers de verstrengelde fotonen op veel verschillende tijdstippen in het kwantumgeheugen opslaan, zonder te hoeven wachten op een succesvolle aankondiging voordat het volgende verstrengelde paar wordt gegenereerd. Deze voorwaarde, genaamd "temporele multiplexing, " is een belangrijk kenmerk dat een aanzienlijke toename van de operationele tijd van het systeem vertegenwoordigt, wat leidt tot een verhoging van de uiteindelijke verstrengelingssnelheid.

Toekomstige stappen

Zoals Prof. ICREA van ICFO Hugues de Riedmatten enthousiast zegt:"Dit idee is meer dan 10 jaar geleden ontstaan ​​en ik ben verheugd om te zien dat het nu in het laboratorium is gelukt. De volgende stappen zijn om het experiment buiten het laboratorium te brengen, om te proberen verschillende knooppunten aan elkaar te koppelen en verstrengeling over veel grotere afstanden te verdelen, verder dan wat we nu hebben. In feite, we zitten midden in het bereiken van de eerste kwantumverbinding van 35 km, die zal worden gedaan tussen Barcelona en ICFO, in Castelldefels."

Het is duidelijk dat het toekomstige quantumnetwerk in de nabije toekomst veel toepassingen zal opleveren. Deze mijlpaal bewijst en bevestigt dat we op de goede weg zijn om deze ontwrichtende technologieën te ontwikkelen en ze in te zetten in wat een nieuwe manier van communiceren zal zijn, het kwantuminternet.