Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers
Diese Arbeit präsentiert die erste Demonstration von multiplexing-gestützter, heralder Entanglement zwischen zwei Ionenfallen-Quantenknoten über 1,2 km Glasfaser, wobei durch die Verwendung von 10 zeitlichen photonischen Moden eine 4,59-fach höhere Erzeugungsrate und eine Fidelität von 95,9 % erreicht wurde.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Der Traum eines Quanteninternets beruht auf einer einzigen, fragilen Verbindung: der Fähigkeit, zwei entfernte Maschinen miteinander zu verknüpfen, sodass sie einen geheimen Zustand teilen, ein Phänomen, das als Verschränkung bekannt ist. Stellen Sie sich zwei Münzen vor, die, egal wie weit sie voneinander entfernt sind, beim Werfen immer auf gegenüberliegenden Seiten landen; in der Quantenwelt können Teilchen auf diese Weise miteinander verknüpft werden und bilden so das Rückgrat für zukünftige Technologien wie unhackbare Kommunikation und leistungsstarke verteilte Computer. Der Aufbau dieses Netzwerks ist jedoch unglaublich schwierig, da das Signal, das die Verbindung trägt, schwächer wird und verloren geht, während es durch Glasfaserkabel reist, insbesondere über lange Distanzen. Um diese Verbindungen funktionsfähig zu machen, müssen Wissenschaftler die Verbindung schnell und zuverlässig herstellen, bevor das Signal verblasst – eine Herausforderung, die Quantenexperimente lange Zeit auf kleine, lokale Aufbauten beschränkt hat.
Ein Forschungsteam der Tsinghua-Universität hat nun einen bedeutenden Schritt nach vorn gemacht, indem es eine Methode demonstrierte, um diesen Prozess mithilfe einer Technik namens Multiplexing zu beschleunigen. Es gelang ihnen, eine verschränkte Verbindung zwischen zwei gefangenen Ionen-Quantenknoten herzustellen, die durch 1,2 Kilometer Glasfaser getrennt sind. In ihrem Experiment verwendeten die Wissenschaftler Calcium-Ionen, welche einzelne Atome sind, die durch elektromagnetische Felder an Ort und Stelle gehalten werden, als Quantenknoten. Jeder Knoten enthielt ein Ion, und die Forscher setzten eine kluge Strategie ein, um die langsame Lichtgeschwindigkeit und die geringe Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Verbindung zu überwinden. Anstatt zu versuchen, die Verbindung einmal zu erstellen und dann abzuwarten, ob sie funktionierte, schickten sie zehn schnelle, aufeinanderfolgende Versuche in einer einzigen Runde aus. Dieser Ansatz gab ihnen effektiv zehn Chancen zum Erfolg, wo sie zuvor nur eine gehabt hätten, was die Rate, mit der die Verschränkung hergestellt wurde, erheblich beschleunigte.
Der Aufbau umfasste zwei verschiedene Standorte, benannt als Alice und Bob, die im Labor 2 Meter voneinander entfernt lagen, aber durch jeweils 600 Meter Glasfaser mit einer zentralen Messstation verbunden waren, was einen Gesamtweg von 1,2 Kilometern ergab. Der Prozess begann damit, dass die Ionen mit Laserpulsen angeregt wurden, was dazu führte, dass sie Photonen, also Lichtteilchen, aussendeten. Diese Photonen reisten durch die Fasern zur Mitte, wo sie gemessen wurden. Wenn die Detektoren in der Mitte ein spezifisches Lichtmuster registrierten, signalisierte dies, dass die beiden entfernten Ionen miteinander verschränkt worden waren. Da die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, wie schnell Informationen hin und her reisen können, mussten die Forscher warten, bis das Bestätigungssignal zurückkehrte, um zu wissen, ob ein Versuch erfolgreich war. Durch die Verwendung von zehn zeitbasierten Modi, oder zehn verschiedenen Zeitfenstern für diese Versuche, gelang es ihnen, die Geschwindigkeit der Erzeugung dieser Verbindungen im Vergleich zu einem einzelnen Versuch pro Durchgang um den Faktor 4,59 zu erhöhen.
Die Ergebnisse waren nicht nur schneller, sondern auch bemerkenswert genau. Das Team maß die Qualität der Verschränkung und stellte eine Fidelität von 95,9 Prozent fest, was bedeutet, dass die Verbindung dem perfekten theoretischen Zustand extrem nahe kam. Diese Präzision ist bemerkenswert, da sie über eine Distanz erreicht wurde, die weit über bisherigen Rekorden für diese Art von System lag, welche auf nur wenige hundert Meter begrenzt waren. Die Forscher bestätigten auch, dass die Ionen diesen Quantenzustand für hunderte Millisekunden aufrechterhalten konnten – eine Dauer, die lang genug ist, um weitere Operationen durchzuführen. Diese Beständigkeit ist entscheidend für die Skalierung des Netzwerks, da sie dem System Zeit ermöglicht, Informationen zu verarbeiten und Fehler zu korrigieren.
Diese Arbeit stellt das erste Mal dar, dass solches Multiplexing eingesetzt wurde, um die Verschränkung zwischen gefangenen Ionen über eine lange Glasfaserverbindung zu verbessern. Während frühere Experimente mit anderen Arten von Materialien ähnliche Geschwindigkeitssteigerungen gezeigt hatten, beweist diese Studie, dass die Methode auch für Ionen funktioniert, die für ihre hohe Stabilität und Präzision bekannt sind. Die Forscher verwendeten ein Dual-Typ-Design für ihre Knoten, bei dem der Teil des Ions, der für die Kommunikation genutzt wird, vom Teil für das Gedächtnis getrennt ist – ein Merkmal, das es ihnen ermöglichen wird, in Zukunft mehr Ionen und Qubits hinzuzufügen, ohne das System zu stören. Durch die Kombination dieser Architektur mit der Multiplexing-Technik hat das Team einen robusten Baustein für ein größeres Quantennetzwerk geschaffen. Die Ergebnisse legen nahe, dass mit weiteren Verfeinerungen zur Reduzierung des technischen Rauschens, wie etwa Laserinstabilität oder Phasenfehler, die Fidelität potenziell 99 Prozent übersteigen könnte, was die Vision eines groß angelegten, funktionsfähigen Quanteninternets einen Schritt näher in die Realität rückt.
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