De afgelopen decennia hebben kwantumfysici en ingenieurs geprobeerd nieuwe, betrouwbare kwantumcommunicatiesystemen te ontwikkelen. Deze systemen zouden uiteindelijk kunnen dienen als proeftuin voor het evalueren en bevorderen van communicatieprotocollen.

Onderzoekers van de Universiteit van Chicago hebben onlangs een nieuw testbed voor kwantumcommunicatie geïntroduceerd met op afstand gelegen supergeleidende knooppunten en hebben op dit testbed bidirectionele multifotoncommunicatie gedemonstreerd. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , zou een nieuwe route kunnen openen naar het realiseren van de efficiënte communicatie van complexe kwantumtoestanden in supergeleidende circuits.

"We ontwikkelen supergeleidende qubits voor modulaire kwantumcomputing en als testbed voor kwantumcommunicatie", vertelde Andrew Cleland, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "Beide vertrouwen erop dat ze kwantumtoestanden op coherente wijze kunnen communiceren tussen qubit-'nodes' die met elkaar zijn verbonden via een schaars communicatienetwerk, meestal één enkele fysieke transmissielijn."

Het recente onderzoek van de onderzoekers bouwt voort op twee eerdere onderzoeksartikelen die zijn gepubliceerd in Nature Physics en Natuur . In deze eerdere werken heeft het team aangetoond dat ze verstrengeling op afstand kunnen genereren en complexe kwantumtoestanden kunnen verzenden, waarvan de laatste één qubit tegelijk is.

"In onze nieuwe studie wilden we proberen complexe kwantumtoestanden te verzenden die meerdere qubits tegelijkertijd vertegenwoordigen", aldus Cleland. "Om dit te doen, hebben we de te verzenden kwantumtoestand in een resonator geladen en vervolgens de gehele resonatortoestand naar de transmissielijn gestuurd, waarna we deze met een externe resonator hebben opgevangen voor daaropvolgende analyse."

Resonatoren, apparaten die elektrische resonantie vertonen, hebben een nominaal oneindig aantal kwantumniveaus. Als gevolg hiervan zijn ze theoretisch in staat zeer complexe toestanden op te slaan die de gegevens van verschillende qubits coderen. Vanwege deze gunstige kenmerken kan het gebruik van resonatoren voor het verzenden en ontvangen van gegevens de beschikbare bandbreedte vergroten.

In hun experiment gebruikten Cleland en zijn collega's twee supergeleidende qubits, die elk waren verbonden met een afstembare supergeleidende resonator. Elk van deze resonatoren was op zijn beurt verbonden met een 2 meter lange transmissielijn via een apparaat dat bekend staat als een variabele koppeling.

"We gebruiken één supergeleidende qubit om verschillende kwantumtoestanden te 'programmeren' naar zijn begeleidende resonator, met behulp van methoden die we vele jaren geleden hebben ontwikkeld," zei Cleland.

“Vervolgens zetten we de koppeling van de resonator aan de transmissielijn aan, waardoor de (mogelijk complexe) kwantumtoestand van de resonator naar de transmissielijn wordt vrijgegeven, waar deze wordt verzonden als een (mogelijk complexe) reeks verstrengelde mobiele fotonen. 'gevangen' door de andere resonator met behulp van het omgekeerde van het vrijgaveproces, en we gebruiken de qubit van die resonator om de ontvangen toestand te analyseren. Het systeem kan even goed in beide richtingen zenden (dus 'bidirectioneel').

Het door de onderzoekers geïmplementeerde ontwerp stelde hen in staat de bidirectionele transmissie van fotonen met enkele microgolffrequentie te realiseren, evenals de gelijktijdige transmissie van een Fock-toestand met twee fotonen |2> in één richting met de transmissie van een Fock-toestand met één foton |1> in de andere richting, evenals de (afzonderlijke) transmissie van gesuperponeerde foton-Fock-toestanden |0>+|1> en |0>+|2>.

"Vervolgens lieten we de generatie van zogenaamde N00N-toestanden zien, die de verstrengeling tussen de twee resonatoren vertegenwoordigen, waarbij we uiteindelijk eerst de generatie van de verstrengelde staat |10>+|01> realiseerden met één foton 'gedeeld' tussen de twee resonatoren, en vervolgens de generatie van de staat |20>+|02>, waarbij twee fotonen op dezelfde manier worden 'gedeeld',' zei Cleland.

"Over het algemeen demonstreert ons werk een haalbaar pad naar zeer efficiënte communicatie van complexere kwantumtoestanden dan alleen enkele fotonen tussen twee knooppunten."

Het nieuwe testbed voor kwantumcommunicatie, geïntroduceerd door Cleland en zijn collega's, zou binnenkort de weg kunnen vrijmaken voor verder werk en vooruitgang. Ten eerste zou het gebruikt kunnen worden om gedistribueerd computergebruik te realiseren, waarbij elk knooppunt in een circuit berekeningen uitvoert en de resultaten efficiënt doorgeeft aan een ander knooppunt. Bovendien zou het kunnen worden gebruikt om systemen te demonstreren waarin twee knooppunten een complexe toestand delen, en elk afzonderlijke manipulaties op deze toestand uitvoert.

"Ons platform zou ook kunnen worden gebruikt voor kwantumcommunicatie, waarbij bijvoorbeeld gecodeerde kwantuminformatie van enige complexiteit in één enkele overdracht zou kunnen worden verzonden", voegde Cleland eraan toe.

"We werken nu aan een aantal verschillende aspecten van dit experiment; we zijn bijvoorbeeld van plan het aantal knooppunten (dat waren er twee in ons recente experiment) te vergroten, de betrouwbaarheid van het proces te vergroten en te onderzoeken wat mogelijk is als we hebben meer parallelle communicatiekanalen."

Meer informatie: Joel Grebel et al., Bidirectionele multifotoncommunicatie tussen supergeleidende knooppunten op afstand, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.047001. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.00124

Journaalinformatie: Natuur , Fysieke beoordelingsbrieven , Natuurfysica , arXiv

© 2024 Science X Netwerk