211service.com
En Quantum Communications Switch
Internettet er lavet af fotoner, der lyner gennem fiberoptiske kabler og strømmer gennem enheder som switche, modulatorer og forstærkere. Men disse standardenheder ville være utilstrækkelige til superhurtig kvanteberegning eller kommunikation - eksperimentelle tilgange, der udnytter partiklernes ejendommelige egenskaber på kvanteskalaen til at udføre komplekse beregninger utroligt hurtigt eller for at forhindre nogen i at aflytte beskeder.
Skift det op: Komponenterne vist her kan omdirigere sammenfiltrede fotoner.
Kommercielle switches har forskellige problemer, der gør dem uegnede til at omdirigere sammenfiltrede fotoner. Dem, der er lavet af mikro-elektromekaniske komponenter, holder sammenfiltrede tilstande i takt, men fungerer for langsomt. Andre opto-elektroniske switche tilføjer enten for meget støj, så enkelte fotoner er svære at opdage, eller også ødelægger de kvanteinformationen fuldstændigt.
Prem Kumar , professor i elektroteknik og datalogi ved Northwestern University, har udviklet en kvanterutingsswitch, der kan transportere sammenfiltrede fotoner langs forskellige stier og samtidig holde kvanteinformationen intakt.
Enheden kunne være særlig nyttig til kvanteberegning, siger James Franson , professor i fysik ved University of Maryland, Baltimore County. For at bygge en kvantecomputer ved hjælp af fotoner, har vi brug for evnen til at skifte [sammenfiltrede] fotoner, siger Franson. En kvanteswitch kunne også en dag tillade, at sammenfiltrede fotoner fra forskellige kvantecomputere deles over lange afstande - som cloud computing, men med kvanteinformation.
Kumar siger, at switchen også vil gøre ultrasikre kvantenetværk til en realitet. Dagens information er typisk sikret ved hjælp af det, der kaldes offentlig nøglekryptering, som er afhængig af den praktiske umulighed af at udføre visse matematiske opgaver, såsom at faktorisere ekstremt store tal. Kvantenetværk ville tilbyde et endnu mere sikkert alternativ til offentlig nøglekryptering. Brug af sammenfiltrede fotoner til at kommunikere sikrer sikkerhed, fordi ethvert forsøg på at opsnappe en besked ville forstyrre partiklernes kvantetilstand.
For at bygge den nye kvanteswitch brugte forskerne kommercielt fiberoptisk kabel og andre optiske standardkomponenter, siger Kumar. Mit mål er at gøre ting i kvanteinformationsrummet, som er meget kompatible med eksisterende fiberinfrastrukturer, siger han.
Det første trin er at forberede fotonerne. Sammenfiltrede fotoner har egenskaber, såsom polarisering, der er fundamentalt forbundet. Hvis to fotoner er sammenfiltret, afslører den målte polarisering af den ene den tilsvarende tilstand af den anden. Forskerne brugte en teknik, hvor de blandede flere bølgelængder af lys i en standardfiber for at skabe sammenfiltrede fotonpar.
Det næste trin er at sende en foton ned i den optiske fiber til switchen, som ændrer fotonens kurs. Forskernes switch er kun lavet af optiske komponenter, herunder en spole på 100 meter optisk fiber arrangeret i en sløjfe. En foton af et sammenfiltret par sendes gennem den ene ende af løkken og gennem en multiplekser, mens en kraftig laser sender lysimpulser ind i spolen. Fotonen forskydes på en sådan måde, at den i den anden ende af sløjfen adskilles ad en separat bane, mens den forbliver viklet ind i sin partner.
Slutresultatet er en switch, der er meget hurtig, har lav baggrundsstøj og vigtigst af alt, bevarer kvanteinformationen. Enkeltfotondetektorer for enden af fibrene bekræfter, at begge fotoner bibeholdt deres sammenfiltrede tilstand, hvilket viser, at kvanteinformationen var bevaret. Arbejdet er beskrevet i et nyere nummer af tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .
Det er en vigtig udvikling, fordi skift af fotoner virkelig er den største forskel i at gå videre i yderligere fremskridt inden for kvanteberegning ved hjælp af fotoner, siger Franson.