Natuurcommunicatie gepubliceerd onderzoek door een internationaal team van Wits en ICFO-The Institute of Photonic Sciences, dat het teleportatie-achtige transport van ‘patronen’ van licht demonstreert – dit is de eerste benadering die beelden over een netwerk kan transporteren zonder het beeld fysiek te verzenden en een cruciale stap op weg naar het realiseren van een kwantumnetwerk voor hoogdimensionale verstrengelde toestanden.

Kwantumcommunicatie over lange afstanden is een integraal onderdeel van informatiebeveiliging en is aangetoond met tweedimensionale toestanden (qubits) over zeer lange afstanden tussen satellieten. Dit lijkt misschien voldoende als we het vergelijken met zijn klassieke tegenhanger, dat wil zeggen het verzenden van bits die gecodeerd kunnen worden in 1s (signaal) en 0s (geen signaal), één voor één.

Dankzij de kwantumoptica kunnen we echter het alfabet uitbreiden en op een veilige manier complexere systemen in één opname beschrijven, zoals een unieke vingerafdruk of een gezicht.

"Traditioneel sturen twee communicerende partijen de informatie fysiek van de een naar de ander, zelfs in het kwantumrijk", zegt prof. Andrew Forbes, hoofdonderzoeker van Wits University.

"Nu is het mogelijk om informatie te teleporteren zodat deze nooit fysiek over de verbinding reist - een 'Star Trek'-technologie die werkelijkheid is geworden." Helaas is teleportatie tot nu toe alleen gedemonstreerd met driedimensionale toestanden (stel je een beeld van drie pixels voor), waardoor er extra verstrengelde fotonen nodig zijn om hogere dimensies te bereiken.

In dit onderzoek voerde het team de eerste experimentele demonstratie uit van het kwantumtransport van hoogdimensionale toestanden met slechts twee verstrengelde fotonen als kwantumhulpbron, wat ertoe leidde dat de informatie leek te zijn "geteleporteerd" van de zender naar de ontvanger. Om vooruitgang te boeken heeft het team een ​​niet-lineaire optische detector gebruikt die de noodzaak van extra fotonen omzeilt en toch werkt voor elk 'patroon' dat moet worden verzonden.

Ze rapporteren een nieuwe state-of-the-art van 15 dimensies, waarbij het schema schaalbaar is naar nog hogere dimensies, wat de weg vrijmaakt voor kwantumnetwerkverbindingen met een hoge informatiecapaciteit.

Praktische toepassingen in een bankomgeving

Stel je voor dat een klant gevoelige informatie naar een bank wil sturen, bijvoorbeeld een vingerafdruk. Bij traditionele kwantumcommunicatie moet de informatie fysiek van de klant naar de bank worden verzonden, altijd met het risico van onderschepping (zelfs als deze veilig is). In het nieuw voorgestelde kwantumtransportschema stuurt de bank een enkel foton (een van een verstrengeld paar) zonder informatie naar de klant, die het op een niet-lineaire detector overlapt met de informatie die moet worden verzonden.

Hierdoor verschijnt de informatie bij de bank precies alsof deze daarheen is geteleporteerd. Er wordt nooit fysiek informatie verzonden tussen de twee partijen, dus onderschepping is vruchteloos, terwijl de kwantumlink die de partijen verbindt tot stand wordt gebracht door de uitwisseling van kwantumverstrengelde fotonen.

"Dit protocol heeft alle kenmerken van teleportatie, behalve één essentieel ingrediënt:het vereist een heldere laserstraal om de niet-lineaire detector efficiënt te maken, zodat de zender kan weten wat er moet worden verzonden, maar dat niet hoeft te weten", legt Forbes uit. .

"In die zin is het niet strikt teleportatie, maar dat zou in de toekomst wel het geval kunnen zijn als de niet-lineaire detector efficiënter zou kunnen worden gemaakt." Zelfs zoals het er nu voor staat, opent het een nieuwe weg voor het verbinden van kwantumnetwerken, waardoor niet-lineaire kwantumoptica als hulpmiddel wordt geïntroduceerd.

"We hopen dat dit experiment, dat de haalbaarheid van het proces aantoont, verdere vooruitgang in de niet-lineaire optica-gemeenschap motiveert door de grenzen te verleggen naar een volledige kwantumimplementatie", zegt Dr. Adam Vallés van ICFO (Barcelona), een van de leiders van het project. werkte aan het experiment tijdens zijn postdoctorale fellowship bij Wits.

“We moeten nu voorzichtig zijn, omdat deze configuratie niet kan voorkomen dat een frauderende afzender betere kopieën bewaart van de informatie die moet worden geteleporteerd, wat betekent dat we zouden kunnen eindigen met veel Mr. Spock-klonen in de Star Trek-wereld als Scotty dat is. gezocht."

“Vanuit praktisch oogpunt kan de configuratie die we momenteel demonstreren al worden gebruikt om een ​​hoogdimensionaal veilig kanaal voor kwantumcommunicatie tussen twee partijen tot stand te brengen, op voorwaarde dat het protocol niet met afzonderlijke fotonen hoeft te worden gevoed, zoals het geval zou zijn het geval voor kwantumrepeaters."

Erkenning van Ph.D. onderzoek

Vallés voegt hieraan toe:“Het uitvoeren van dergelijke proof-of-concept-experimenten met de momenteel beschikbare technologie is een interessante reis geweest, en we hebben Dr. Bereneice Sephton van Wits te danken voor haar vastberadenheid en de uitgebreide vaardigheden die nodig zijn om zo’n experimenteel beest te temmen. is een echte laboratoriuminspanning waarvoor ze geprezen moet worden."

Forbes herhaalt dit sentiment:"Dit was een heroïsch experiment, en Dr. Bereneice Sephton moet worden erkend, aangezien zij degene is die het systeem aan de praat heeft gekregen en de belangrijkste experimenten heeft uitgevoerd."

Het team is van plan in deze richting te blijven werken, waarbij de volgende stap zich richt op kwantumtransport via een glasvezelnetwerk.

Meer informatie: Bereneice Sephton et al, Kwantumtransport van hoogdimensionale ruimtelijke informatie met een niet-lineaire detector, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43949-x

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Wits University