Pierwsza demonstracja routera kwantowego

Fizycy już od jakiegoś czasu wykorzystują kwantową naturę fotonów do przesyłania informacji. W ten sposób odkryli, jak potężną komunikację kwantową można porównać do komunikacji klasycznej.

Zamiast wysyłać zera i jedynki kodu cyfrowego, komunikatory kwantowe mogą wysyłać informacje w superpozycji stanów reprezentujących jednocześnie zera i jedynki. Co więcej, oddzielne obiekty kwantowe, takie jak para fotonów, mogą być splątane, co oznacza, że ​​dzielą to samo istnienie, nawet jeśli są szeroko oddzielone. Prowadzi to do formy informacji kwantowej, która nie ma klasycznego odpowiednika.

Informacje kwantowe są czynnikiem umożliwiającym powstanie wielu nowych technologii, które według wielu fizyków będą miały ogromny wpływ na społeczeństwo w przyszłości: potężne komputery kwantowe, (prawie) doskonale bezpieczna kryptografia kwantowa i internet kwantowy, który rozprzestrzeni te możliwości na całej planecie.

Ale jest problem z tą wizją kwantowej przyszłości. Obecnie fizycy mogą wysyłać fotony przenoszące informację kwantową tylko na długość pojedynczego światłowodu.

Prowadzenie fotonów do innego światłowodu to proces zwany routingiem, w którym sygnał sterujący służy do określania miejsca docelowego i trasy sygnału danych. Klasyczny router po prostu odczytuje dane w sygnale sterującym i odpowiednio kieruje sygnał danych.

Ale w świecie kwantowym odczytanie sygnału sterującego również go niszczy. Tak więc możliwe było kierowanie sygnałów danych kwantowych tylko przy użyciu klasycznych sygnałów sterujących. I chociaż jest to przydatne, nie pozwala procesowi routingu na wykorzystanie pełnej mocy informacji kwantowej.

Dzisiaj Xiuying Chang i kilku kolegów z Uniwersytetu Tsinghau w Chinach ogłaszają, że zbudowali i przetestowali pierwszy router kwantowy, który wykorzystuje sygnał kontroli kwantowej do określania trasy sygnału danych kwantowych. Mówią, że… realizujemy pierwszą demonstrację działania prawdziwego routera kwantowego.

W tym nowym urządzeniu informacja jest zakodowana w polaryzacji fotonów, poziomej lub pionowej. Grupa chińska zaczyna od stworzenia pojedynczego fotonu, który znajduje się w superpozycji stanów polaryzacji poziomej i pionowej.

Następnie przekształcają ten pojedynczy foton w parę splątanych fotonów o niższej energii w procesie zwanym parametryczną konwersją w dół. Oba te fotony są również w superpozycji stanów polaryzacji.

Router działa wykorzystując polaryzację jednego z tych fotonów jako sygnał sterujący do określenia trasy drugiego, sygnału danych. Urządzenie jest proste, niewiele więcej niż zbiór pół zwierciadeł do prowadzenia fotonów i płytek falowych do obracania ich polaryzacji.

Najpierw prześledźmy trasę fotonu danych, która jest wyznaczona przez zestaw połówkowych luster, które wysyłają go w jedną lub drugą stronę, w zależności od jego polaryzacji. Sztuczka polega na ustawieniu routera tak, aby polaryzacja fotonu kontrolnego wpływała na tę trasę.

Chińska grupa robi to, obracając polaryzację fotonu kontrolnego za pomocą pół- i ćwierćfalowych płytek, gdy foton danych dociera do pół zwierciadeł. Zjawisko kwantowe splątania zapewnia zatem, że foton danych jest odpowiednio kierowany. W efekcie router działa jak brama logiczna.

Oczywiście sukces routingu jest probabilistyczny, podobnie jak wszystkie inne zjawiska kwantowe. Chang i spółka kończą eksperyment, weryfikując charakterystykę routera przypominającą bramkę logiczną i upewniając się, że oba fotony są nadal splątane po przejściu przez niego.

To ciekawy krok naprzód, ale nowy router ma spore ograniczenia. Najważniejszym z nich jest to, że może obsługiwać tylko jeden bit kwantowy lub kubit na raz. A ponieważ proces parametrycznej konwersji w dół nie może obsłużyć większej liczby kubitów, nie można go przeskalować do większej liczby kubitów.

To znacząca wada. Oznacza to, że jest to urządzenie sprawdzające zasadę działania, ale nie takie, które kiedykolwiek stanie się podstawą przyszłego Internetu kwantowego.

W pewnym sensie jest to trochę jak pierwsze komputery kwantowe, które opierały się na magnetycznym rezonansie jądrowym, aby manipulować spinami cząsteczek w wannie acetonu. Wykonywały one trywialne obliczenia przy użyciu kilku kubitów, ale nie można było ich skalować, aby zrobić coś interesującego.

Nie oznacza to, że nigdy nie będziemy mieli skalowalnych routerów kwantowych. Różne grupy pracują nad różnymi podejściami, które mają potencjał skalowania. Postęp jest stały, ale powolny.

Nadchodzi internet kwantowy. Problem w tym, że nikt nie wie kiedy.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1207.7265 : Eksperymentalna demonstracja routera kwantowego opartego na splątaniu

ukryć