Første demonstration af en Quantum Router

Fysikere har udnyttet fotonernes kvantenatur til at transmittere information i nogen tid nu. Og ved at gøre det har de opdaget, hvor kraftfuld kvantekommunikation kan sammenlignes med den klassiske slags.

I stedet for at sende 0'erne og 1'erne for digital kode, kan kvantekommunikatører sende information i en superposition af tilstande, der repræsenterer både 0'er og 1'er på samme tid. Desuden kan separate kvanteobjekter, såsom et par fotoner, blive viklet ind, hvilket betyder, at de deler den samme eksistens, selvom de er vidt adskilt. Det fører til en form for kvanteinformation, der ikke har nogen klassisk pendant.

Kvanteinformation er den muliggørende faktor bag en række nye teknologier, som mange fysikere forventer vil have en enorm indflydelse på samfundet i fremtiden: kraftfulde kvantecomputere, (næsten) perfekt sikker kvantekryptografi og kvanteinternettet, der vil distribuere disse muligheder rundt om på planeten.

Men der er et problem med denne vision om kvantefremtiden. I øjeblikket kan fysikere kun sende fotoner, der bærer kvanteinformation over længden af ​​en enkelt optisk fiber.

At lede fotonerne ind i en anden fiber er en proces kaldet routing, som bruger et kontrolsignal til at bestemme destinationen og ruten for et datasignal. En klassisk router læser blot dataene i styresignalet og dirigerer datasignalet derefter.

Men i kvanteverdenen ødelægger læsning af et styresignal også det. Så det har kun været muligt at dirigere kvantedatasignaler ved hjælp af klassiske styresignaler. Og selvom det er praktisk, tillader det ikke routingprocessen at udnytte den fulde kraft af kvanteinformation.

I dag annoncerer Xiuying Chang og et par kammerater ved Tsinghau Universitet i Kina, at de har bygget og testet den første kvante-router til at bruge et kvantekontrolsignal til at bestemme ruten for et kvantedatasignal. Vi ... realiserer den første proof-of-princip-demonstration af en ægte kvante-router, siger de.

I denne nye enhed er informationen kodet i polariseringen af ​​fotoner, enten vandret eller lodret. Den kinesiske gruppe begynder med at skabe en enkelt foton, der er i en superposition af både horisontale og vertikale polarisationstilstande.

De konverterer derefter denne enkelte foton til et par fotoner med lavere energi, der er sammenfiltret, en proces kaldet parametrisk nedkonvertering. Begge disse fotoner er også i en superposition af polarisationstilstande.

Routeren fungerer ved at bruge polariseringen af ​​en af ​​disse fotoner som styresignal til at bestemme ruten for den anden, datasignalet. Enheden er enkel, lidt mere end en samling af halvspejle til at styre fotoner og bølgeplader til at rotere deres polarisering.

Lad os først følge ruten for datafotonen, som er bestemt af et sæt halvspejle, der sender den den ene eller den anden vej, afhængigt af dens polarisering. Tricket er at sætte routeren op, så polariseringen af ​​kontrolfotonen påvirker denne rute.

Den kinesiske gruppe gør dette ved at rotere polariseringen af ​​kontrolfotonen ved hjælp af halv- og kvartbølgeplader, når datafotonen når halvspejlene. Kvantefænomenet sammenfiltring sikrer så, at datafotonen dirigeres i overensstemmelse hermed. Faktisk fungerer routeren som en logisk gate.

Selvfølgelig er routing-succesen en sandsynlighed som alle andre kvantefænomener. Chang og co afslutter deres eksperiment ved at verificere logic-gate-lignende egenskaber for routeren og sikre, at begge fotoner stadig er viklet ind efter at have passeret gennem den.

Det er et interessant skridt fremad, men den nye router har betydelige begrænsninger. Den mest betydningsfulde af disse er, at den kun kan håndtere én kvantebit eller qubit ad gangen. Og fordi processen med parametrisk nedkonvertering ikke kan håndtere flere qubits, kan den ikke skaleres til flere qubits.

Det er en væsentlig ulempe. Det betyder, at dette er en proof-of-princip-enhed, men ikke en, der nogensinde vil danne grundlaget for et fremtidigt kvante-internet.

På en måde er det lidt ligesom de første kvantecomputere, der var afhængige af kernemagnetisk resonans til at manipulere molekylernes spins i en balje med acetone. Disse udførte trivielle beregninger ved hjælp af en håndfuld qubits, men kunne ikke skaleres op til at gøre noget interessant.

Det betyder ikke, at vi aldrig vil have skalerbare kvante-routere. Forskellige grupper arbejder med forskellige tilgange, der har potentiale til at skalere. Fremskridtet er støt, men langsomt.

Et kvanteinternet kommer. Problemet er, at ingen ved hvornår.

Ref: arxiv.org/abs/1207.7265 : Eksperimentel demonstration af en sammenfiltring-baseret kvante-router

skjule