Een protocol voor het verstrengelen van microgolf- en optische fotonen is gedemonstreerd door onderzoekers in Oostenrijk. Dit heeft het potentieel om een ​​van de centrale problemen bij de vorming van een kwantuminternet te helpen overwinnen door microgolffrequentiecircuits kwantuminformatie via optische vezels te laten uitwisselen.

De centrale visie die ten grondslag ligt aan een kwantuminternet - voor het eerst verwoord in 2008 door Jeff Kimbel van Caltech in de VS – is dat kwantumprocessors in een netwerk kwantuminformatie kunnen uitwisselen, net zoals klassieke computers klassieke informatie uitwisselen via internet. Het overbrengen van kwantuminformatie is echter veel moeilijker, omdat achtergrondruis kwantumsuperposities kan vernietigen in een proces dat decoherentie wordt genoemd.

Veel van de krachtigste kwantumcomputers die er bestaan, zoals IBM's Osprey, gebruiken supergeleidende qubits. Deze werken op microgolffrequenties, waardoor ze extreem kwetsbaar zijn voor verstoring door thermische achtergrondstraling - en verklaart waarom ze op cryogene temperaturen moeten worden bewaard. Het maakt ook de overdracht van informatie tussen supergeleidende qubits extreem moeilijk. "[Een manier] is om ultrakoude links te bouwen", legt uit Johannes Fink van het Instituut voor Wetenschap en Technologie Oostenrijk in Klosterneuburg. “Het record was gewoon gepubliceerd NATUUR [door De groep van Andreas Wallraff bij ETH Zürich in Zwitserland en collega's]: 30 m bij 10–50 mK – dat heeft wat uitdagingen voor opschaling.” Hij zegt daarentegen: "glasvezel werkt heel goed voor communicatie - we gebruiken het de hele tijd als we op internet surfen".

Kwantumtransductie

Een schema waarbij kwantuminformatie tussen microgolf-qubits kan worden overgedragen door fotonen door optische vezels te sturen, zou daarom buitengewoon waardevol zijn. De meest directe benadering is kwantumtransductie, waarbij door de interactie met een derde foton een microgolffoton wordt opgewaardeerd tot een optisch foton dat langs vezels kan worden gestuurd.

Helaas introduceren praktische implementaties van dit proces ook zowel verlies als ruis: "Je stuurt tien fotonen en misschien wordt er maar één omgezet... en misschien voegt je apparaat wat extra fotonen toe omdat het heet was of om een ​​andere reden", zegt Fink's PhD student Rishabh Sahu, die mede-eerste auteur is van een paper waarin dit laatste onderzoek wordt beschreven. "Beide brengen de getrouwheid van transductie naar beneden."

Een alternatieve manier om kwantuminformatie over te dragen, wordt kwantumteleportatie genoemd en werd voor het eerst experimenteel gedemonstreerd in 1997 door de groep van Anton Zeilinger aan de Universiteit van Innsbruck - waarvoor Zeilinger deelde de 2022 Nobelprijs voor Natuurkunde. Wanneer een qubit interageert met één foton in een verstrengeld paar, raakt zijn eigen kwantumtoestand verstrengeld met het tweede foton.

Verstrengeling ruilen

Een kwantumnetwerk zou kunnen worden geproduceerd onder omgevingsomstandigheden als dit tweede foton door een optische vezel met laag verlies zou kunnen reizen om te interageren met een identiek geprepareerd transmissiefoton van een tweede netwerkknooppunt via een zogenaamde Bell-toestandsmeting. Dit zou een "verstrengelingswisseling" uitvoeren tussen de afgelegen supergeleidende qubits.

Verstrengelde fotonenparen worden gegenereerd door een proces dat spontane parametrische neerwaartse conversie wordt genoemd, waarbij één foton in tweeën splitst. Niemand was er echter eerder in geslaagd om een ​​verstrengeld paar fotonen te genereren waarvan de energie meer dan 10,000 verschilde. Dit verschil omvat een foton met een optische telecomgolflengte van ongeveer 1550 nm; en een andere met een microgolfgolflengte van ongeveer 3 cm.

De groep van Fink pompte een optische resonator van lithiumniobaat die deel uitmaakte van een microgolfresonator met een krachtige laser op telecomgolflengten. Het overgrote deel van het laserlicht kwam gewoon onveranderd uit de resonator en werd eruit gefilterd. Ongeveer één foton per puls splitste zich echter in twee verstrengelde fotonen - de ene microgolf en de andere op een golflengte die net iets langer is dan de pompfotonen.

De verstrengelde lichtbron is volledig on-chip

"We hebben deze verstrengeling geverifieerd door de covarianties van de twee elektromagnetische veldfluctuaties te meten. We vonden microgolf-optische correlaties die sterker zijn dan klassiek toegestaan, wat betekent dat de twee velden in een verstrengelde toestand verkeren.” zegt Liu Qiu, een postdoctoraal onderzoeker en gezamenlijke eerste auteur van de paper die het werk beschrijft. De onderzoekers hopen nu deze verstrengeling uit te breiden naar qubits en vezels op kamertemperatuur, kwantumteleportatie te implementeren en qubits te verstrengelen in afzonderlijke verdunningskoelkasten.

Alexandre Blais van de Université de Sherbrooke in Canada werkte mee aan Wallraff's NATUUR papier en hij is onder de indruk van het werk van Fink en collega's: “Normaal praten optica en microgolven niet met elkaar. Optica is echt hoge energie en heeft de neiging de kwantumcoherentie-eigenschappen van uw microgolfcircuits te ruïneren. Nu hebben [de onderzoekers] staande fotonen: als ik die informatie naar een andere koelkast wil overbrengen, moet ik die informatie overbrengen naar een vliegend foton in een optische vezel, en daar zal verlies optreden. En dat foton moet dan door die vezel reizen, de tweede koelkast ingaan en wat magie doen... We moeten nu niet denken dat dit alles gemakkelijk maakt - het is nog maar het begin, maar dat doet niets af aan de kwaliteit van het experiment. ”

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/microwave-photons-are-entangled-with-optical-photons/