Onderzoek met quantum computing en quantumnetwerken vindt over de hele wereld plaats in de hoop in de toekomst een quantuminternet te ontwikkelen. Een kwantuminternet zou een netwerk van kwantumcomputers, sensoren en communicatieapparatuur zijn dat kwantumtoestanden en verstrengeling zal creëren, verwerken en overbrengen en dat naar verwachting het internetsysteem van de samenleving zal verbeteren en bepaalde diensten en zekerheden zal bieden die het huidige internet niet heeft.

Een team van natuurkundigen van de Stony Brook University en hun medewerkers hebben een belangrijke stap gezet in de richting van de bouw van een quantum-internettestbed door een fundamentele quantumnetwerkmeting te demonstreren die gebruik maakt van quantumgeheugens op kamertemperatuur. Hun bevindingen worden beschreven in een artikel gepubliceerd in npj Quantum Information .

Het veld van kwantuminformatie combineert in wezen aspecten van de natuurkunde, wiskunde en klassieke informatica om de kwantummechanica te gebruiken om complexe problemen veel sneller op te lossen dan klassieke informatica en om informatie op een onhackbare manier te verzenden.

Terwijl de visie van een kwantuminternetsysteem groeit en er in het veld een grote belangstelling is ontstaan ​​bij onderzoekers en het grote publiek, gepaard gaande met een steile stijging van het geïnvesteerde kapitaal, is er nog geen daadwerkelijk kwantuminternet-prototype gebouwd.

Volgens het Stony Brook-onderzoeksteam is de belangrijkste hindernis voor het verwezenlijken van het potentieel om communicatienetwerken veiliger te maken, meetsystemen preciezer en algoritmen voor bepaalde wetenschappelijke analyses krachtiger te maken, afhankelijk van het ontwikkelen van systemen die in staat zijn kwantuminformatie en verstrengeling over vele knooppunten te brengen. en over lange afstanden. Deze systemen worden kwantumrepeaters genoemd en vormen een van de complexere uitdagingen in het huidige natuurkundig onderzoek.

De onderzoekers beschikken in hun nieuwste experimenten over geavanceerde kwantumrepeatercapaciteiten. Ze bouwden en karakteriseerden kwantumgeheugens die bij kamertemperatuur werken en toonden aan dat deze herinneringen identieke prestaties leveren, een essentieel kenmerk als het doel is om grootschalige kwantumrepeaternetwerken te bouwen die meerdere van deze herinneringen zullen omvatten.

Ze testten hoe identiek deze herinneringen zijn in hun functionaliteit door identieke kwantumtoestanden naar elk van de herinneringen te sturen en een proces uit te voeren dat Hong-Ou-Mandel Interference wordt genoemd op de output van de herinneringen, een standaardtest om de niet-onderscheidbaarheid van fotoneigenschappen te kwantificeren. /P>

Ze toonden aan dat het proces van het opslaan en ophalen van optische qubits in hun kwantumgeheugens op kamertemperatuur het gezamenlijke interferentieproces niet significant verstoort en geheugenondersteunde verstrengelingswissel mogelijk maakt, een protocol om verstrengeling over lange afstanden te verspreiden en de sleutel tot het bouwen van operationele kwantumgeheugens. repeaters.

"Wij geloven dat dit een buitengewone stap is in de richting van de ontwikkeling van levensvatbare kwantumrepeaters en het kwantuminternet", zegt hoofdauteur Eden Figueroa, Ph.D., Stony Brook Presidential Innovation Endowed Professor en directeur van het Center for Distributed Quantum Processing, houder van een gezamenlijke afspraak bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Bovendien werkt de door het team ontwikkelde kwantumhardware op kamertemperatuur, waardoor de bedrijfskosten aanzienlijk worden verlaagd en het systeem veel sneller wordt. Een groot deel van het kwantumonderzoek vindt niet plaats op kamertemperatuur, maar op temperaturen rond het absolute nulpunt, wat duurder, langzamer en technisch gezien lastiger te netwerken is. Kamertemperatuurtechnologie is dus veelbelovend voor het bouwen van grootschalige kwantumnetwerken.

Het team heeft niet alleen kwantumgeheugen en communicatieresultaten op kamertemperatuur bereikt, maar heeft ook hun aanpak gepatenteerd. Ze ontvingen Amerikaanse patenten met betrekking tot kwantumopslag bij kamertemperatuur en kwantumrepeaters met een hoge herhalingssnelheid.

“Om deze vloten van kwantumgeheugens op kwantumniveau en bij kamertemperatuur samen te laten werken, is iets dat essentieel is voor elk kwantuminternet op welke schaal dan ook. Voor zover wij weten is deze prestatie nog niet eerder gedemonstreerd, en we Ik verwacht dat we op dit onderzoek kunnen voortbouwen”, benadrukt Figueroa, en merkt op dat hun gepatenteerde technologie hen in staat stelt het kwantumnetwerk verder te testen.

Co-auteurs Sonali Gera, een postdoctoraal onderzoeker, en Chase Wallace, een doctoraalstudent, beiden bij de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde, werkten nauw samen met Figueroa, samen met andere collega's, tijdens de experimenten die er in zekere zin op gericht zijn om de "verstrengeling over afstanden, de essentiële functie van een kwantumrepeater.

“Omdat de herinneringen fotonen kunnen opslaan met een door de gebruiker gedefinieerde opslagtijd, konden we ook de tijdsynchronisatie van het ophalen van de fotonen aantonen, ondanks dat de fotonen op willekeurige tijdstippen in de herinneringen aankomen, wat een ander kenmerk is dat nodig is om een ​​kwantum te laten werken. repeatersysteem", legt Gera uit.

Zij en Wallace voegen hieraan toe dat enkele van de volgende stappen in het onderzoek van het team het bouwen en karakteriseren van bronnen van verstrengeling zijn die compatibel zijn met de kwantumherinneringen en het ontwerpen van mechanismen om de aanwezigheid van opgeslagen fotonen in veel kwantumherinneringen te ‘aankondigen’.

Meer informatie: Sonali Gera et al, Hong-Ou-Mandel-interferentie van pulsen op enkel fotonniveau opgeslagen in onafhankelijke kwantumgeheugens op kamertemperatuur, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-024-00803-2

Aangeboden door Stony Brook Universiteit