Quantumtechnologie maakt doorgaans gebruik van qubits (quantumbits) bestaande uit:bijvoorbeeld, enkele elektronen, fotonen of atomen. Een groep TU Delft-onderzoekers heeft nu het vermogen aangetoond om een ​​willekeurige qubit-toestand van een enkel foton naar een optomechanisch apparaat te teleporteren - bestaande uit een mechanische structuur die miljarden atomen omvat. Hun baanbrekende onderzoek, nu gepubliceerd in Natuurfotonica , maakt real-world toepassingen mogelijk, zoals quantum-internet-repeater-knooppunten, terwijl het ook mogelijk is om de quantummechanica zelf op nieuwe manieren te bestuderen.

Quantum optomechanica

Het gebied van kwantumoptomechanica gebruikt optische middelen om mechanische beweging in het kwantumregime te regelen. De eerste kwantumeffecten in mechanische apparaten op microschaal werden ongeveer tien jaar geleden aangetoond. Gerichte inspanningen hebben sindsdien geleid tot verstrengelde toestanden tussen optomechanische apparaten en tot demonstraties van een optomechanisch kwantumgeheugen. Nutsvoorzieningen, de groep van Simon Gröblacher, van het Kavli Institute of Nanoscience en de afdeling Quantum Nanoscience van de Technische Universiteit Delft, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Campinas in Brazilië, heeft de eerste succesvolle teleportatie van een willekeurige optische qubit-toestand naar een micromechanisch kwantumgeheugen laten zien.

Repeater-knooppunten voor een kwantuminternet

Kwantumteleportatie - de getrouwe overdracht van een onbekende invoerkwantumtoestand naar een extern kwantumsysteem - is een belangrijk onderdeel van de langeafstandscommunicatieprotocollen die nodig zijn om een ​​kwantuminternet te bouwen. Net als het gewone internet, distributie van kwantuminformatie tussen kwantumapparaten overal ter wereld vereist een netwerk van repeaterknooppunten. Elk knooppunt slaat de kwantuminformatie tijdelijk op in een geheugen voordat het naar een volgend knooppunt wordt geteleporteerd, uiteindelijk tot stand brengen van kwantumcommunicatie op lange afstand.

Twee micromechanische resonatoren die een enkele kwantumtoestand delen

In hun experiment hebben de onderzoekers creëren een polarisatie-gecodeerde fotonische qubit in een willekeurige kwantumtoestand. Vervolgens transporteren ze dit foton over tientallen meters optische vezel en teleporteren het naar hun kwantumgeheugen dat bestaat uit twee massieve, mechanische siliciumresonatoren - elk ongeveer 10 micrometer groot en bestaande uit tientallen miljarden atomen. De kwantuminformatie werd opgeslagen in de enkele-excitatie-subruimte van de twee resonatoren. Om de betrouwbaarheid van het proces te testen, de onderzoekers toonden verder aan dat ze deze geteleporteerde staat getrouw uit het geheugen konden halen.

Telecommunicatiegolflengten

Hoewel kwantumteleportatie al is aangetoond in verschillende kwantumsystemen, het gebruik van optomechanische apparaten is een doorbraak omdat ze kunnen worden ontworpen om op elke optische golflengte te werken, inclusief de verliesarme infrarood-telecomvezelgolflengten. "Het is deze golflengte die resulteert in het laagste transmissieverlies, waardoor de langste afstand tussen repeater-knooppunten, " zegt Gröblacher. "Deze mijlpaal was mogelijk dankzij de kwaliteit en flexibiliteit van onze nano-gefabriceerde optomechanische systemen, die, in tegenstelling tot de meeste andere kwantumsystemen, zorgen voor onafhankelijk ontworpen optische eigenschappen. Een toekomstig quantuminternet zal ongetwijfeld gebruik maken van het bestaande telecomnetwerk op deze golflengte."

Alle bouwstenen

In principe, kwantumteleportatie kan over willekeurige afstanden worden gedaan. Door een fotonische kwantumtoestand over tientallen meters optische vezel naar een kwantumgeheugen te teleporteren, de onderzoekers hebben de vereiste aangetoond van een volledig functioneel optomechanisch quantum-repeaterknooppunt. Gröblacher:"We moeten nu de prestaties verder verbeteren tot het niveau dat nodig is voor een systeem dat kan worden ingezet in een real-world applicatie, zoals het verhogen van de herhalingsfrequenties, getrouwheid en het succespercentage van de qubit-teleportatie en -opslag." Volgens Thiago Alegre, onderzoeker aan de Universiteit van Campinas en medewerker aan dit project, een route zal zijn om optomechanische systemen te ontwerpen die bestand zijn tegen parasitaire optische absorptie. "Dit kan worden gerealiseerd dankzij de flexibiliteit van deze nano-gefabriceerde apparaten."

Een hybride aanpak

Het huidige onderzoek is een grote stap in de richting van Gröblachers visie op een toekomstig hybride kwantuminternet. "We werken toe naar een heterogeen netwerk waar je verschillende fysieke systemen hebt die communiceren en verschillende functionaliteiten uitvoeren, "zegt hij. "Misschien heb je optomechanische kwantumrepeaterknooppunten die zijn verbonden met een kwantumcomputer of geheugen dat bestaat uit supergeleidende qubits of spinkwantumsystemen, respectievelijk. Al deze zullen compatibel moeten zijn met elkaar en op dezelfde golflengte moeten werken om kwantuminformatie getrouw over te dragen."

Quantum-naar-klassieke overgang

Naast het mogelijk maken van bouwstenen voor nieuwe kwantumtechnologieën, de mogelijkheid om een ​​willekeurige qubit-toestand te teleporteren naar massieve, mechanische oscillatoren kunnen ook worden gebruikt om de kwantumfysica zelf op fundamenteel niveau te testen. Terwijl zeer kleine systemen zich doorgaans gedragen volgens de wetten van de kwantummechanica, grote systemen worden beheerst door de klassieke wetten van de fysica. "Experimenten hebben bepaalde theorieën uitgesloten die decoherentiemechanismen beschrijven die leiden tot de kwantum-naar-klassieke overgang, maar we zijn ver verwijderd van een definitief antwoord, " zegt Gröblacher. "Omdat het relatief eenvoudig is om onze optomechanische systemen te schalen en teleportatie te gebruiken om interessante kwantumtoestanden te creëren, dit is een belangrijke stap in het begrijpen van deze grens."