211service.com
Przełącznik komunikacji kwantowej
Internet składa się z fotonów, które przeskakują przez kable światłowodowe i przepływają przez urządzenia takie jak przełączniki, modulatory i wzmacniacze. Jednak te standardowe urządzenia byłyby niewystarczające do superszybkich obliczeń kwantowych lub komunikacji — podejść eksperymentalnych, które wykorzystują szczególne właściwości cząstek w skali kwantowej, aby niewiarygodnie szybko przeprowadzać złożone obliczenia lub zapobiegać podsłuchiwaniu wiadomości.
Przełącz to: Pokazane tutaj komponenty mogą przekierowywać splątane fotony.
Komercyjne przełączniki mają różne problemy, które sprawiają, że nie nadają się do przekierowywania splątanych fotonów. Te, które są wykonane z elementów mikroelektromechanicznych, zachowują stany splątania w nienaruszonym stanie, ale działają zbyt wolno. Inne przełączniki optoelektroniczne albo dodają zbyt dużo szumu, że pojedyncze fotony są trudne do wykrycia, albo całkowicie niszczą informację kwantową.
Prem Kumar , profesor elektrotechniki i informatyki na Northwestern University, opracował przełącznik routingu kwantowego, który może przenosić splątane fotony wzdłuż różnych ścieżek, zachowując informacje kwantowe w stanie nienaruszonym.
Urządzenie może być szczególnie przydatne do obliczeń kwantowych, mówi James Franson , profesor fizyki na Uniwersytecie Maryland w hrabstwie Baltimore. Aby zbudować komputer kwantowy wykorzystujący fotony, potrzebujemy możliwości przełączania [splątanych] fotonów, mówi Franson. Przełącznik kwantowy może również pewnego dnia umożliwić współdzielenie splątanych fotonów z różnych komputerów kwantowych na duże odległości — jak przetwarzanie w chmurze, ale z informacją kwantową.
Kumar twierdzi, że przełącznik sprawi, że ultrabezpieczne sieci kwantowe staną się rzeczywistością. Dzisiejsze informacje są zwykle zabezpieczane za pomocą tak zwanego szyfrowania klucza publicznego, które opiera się na praktycznej niemożności wykonania pewnych zadań matematycznych, takich jak faktoryzacja bardzo dużych liczb. Sieci kwantowe stanowiłyby jeszcze bezpieczniejszą alternatywę dla szyfrowania z kluczem publicznym. Wykorzystanie splątanych fotonów do komunikacji zapewnia bezpieczeństwo, ponieważ każda próba przechwycenia wiadomości zakłóciłaby stan kwantowy cząstek.
Do budowy nowego przełącznika kwantowego naukowcy wykorzystali komercyjny kabel światłowodowy i inne standardowe komponenty optyczne, mówi Kumar. Moim celem jest robienie rzeczy w przestrzeni informacji kwantowej, które są bardzo kompatybilne z istniejącą infrastrukturą światłowodową, mówi.
Pierwszym krokiem jest przygotowanie fotonów. Splątane fotony mają właściwości, takie jak polaryzacja, które są ze sobą fundamentalnie powiązane. Jeśli dwa fotony są splątane, to zmierzona polaryzacja jednego ujawnia odpowiedni stan drugiego. Naukowcy zastosowali technikę, w której mieszali ze sobą różne długości fal światła w standardowym włóknie, aby stworzyć splątane pary fotonów.
Kolejnym krokiem jest przesłanie jednego fotonu światłowodem do przełącznika, który zmienia kurs fotonu. Przełącznik badaczy składa się wyłącznie z elementów optycznych, w tym ze szpuli 100 metrów światłowodu ułożonej w pętlę. Jeden foton ze splątanej pary jest przesyłany przez jeden koniec pętli i przez multiplekser, podczas gdy potężny laser wysyła impulsy światła do szpuli. Foton jest przesunięty w taki sposób, że na drugim końcu pętli oddziela się odrębną ścieżką, pozostając jednocześnie splątany ze swoim partnerem.
Efektem końcowym jest przełącznik, który jest bardzo szybki, ma niski poziom szumów tła i, co najważniejsze, zachowuje informację kwantową. Detektory pojedynczych fotonów na końcach włókien potwierdzają, że oba fotony zachowały swój splątany stan, pokazując, że zachowana została informacja kwantowa. Praca została opisana w najnowszym numerze czasopisma Fizyczne listy kontrolne .
To ważne osiągnięcie, ponieważ przełączanie fotonów jest tak naprawdę główną różnicą w dalszym postępie w obliczeniach kwantowych przy użyciu fotonów, mówi Franson.