Telecom-compatible polarization-to-time-bin conversion of atom-photon entanglement for heterogeneous quantum networks
Diese Arbeit demonstriert eine Schlüsselgrenschnittstelle für heterogene Quantennetzwerke, indem sie die Atom-Photon-Verschränkung eines einzelnen gefangenen Calcium-Ions bei 854 nm erfolgreich in Zeit-Bin-Qubits der Telekommunikations-C-Band-Frequenz mit einer Fidelität von 96,3 % umwandelt und dadurch eine robuste Langstreckenübertragung von Quanteninformationen ermöglicht.
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
Stellen Sie sich das Internet der Zukunft vor, in dem statt E-Mails und Katzenvideos Geheimnisse versendet werden, die niemals gehackt werden können. Dies ist die Welt der Quantennetzwerke, in denen Informationen von winzigen Lichtpartiklen namens Photonen getragen werden. Aber hier ist der Haken: Die Geräte, die diese Informationen erzeugen, wie etwa gefangene Atome, sprechen eine andere „Sprache“ des Lichts als die Glasfaserkabel, die sie durch Städte transportieren. Es ist, als würde man versuchen, eine Nachricht, die in Altgriechisch verfasst ist, durch ein modernes Glasfaserkabel zu senden, das nur Englisch versteht. Um dies zum Laufen zu bringen, benötigen Wissenschaftler Übersetzer, die den „Akzent“ des Lichts ändern können, ohne die Bedeutung der Nachricht zu verlieren.
Noch kniffliger ist die Art und Weise, wie die Information geschrieben wird. Einige Geräte schreiben Geheimnisse mithilfe der „Neigung“ der Lichtwelle (Polarisation), während andere sie mithilfe der „Zeitgestaltung“ (Time-Bins) der Lichtpulse schreiben. Stellen Sie sich die Polarisation wie einen kreiselnden Kreisel vor, der sich nach links oder rechts drehen kann, und die Time-Bins wie einen Läufer, der früh oder spät ankommt. Wenn man versucht, eine Nachricht, die von einem Kreisel geschrieben wurde, durch ein Kabel zu senden, das nur Läufer versteht, wird die Nachricht durcheinandergebracht. Dies ist ein riesiges Problem, denn die Kabel, die wir bereits unter der Erde haben, sind perfekt für zeitbasierte Nachrichten, aber schrecklich für kreiselbasierte Nachrichten, die durch die Hitze und den Druck des Kabels verwirrt werden. Wissenschaftler haben nach einem Weg gesucht, eine Kreisel-Nachricht in eine Zeit-Nachricht zu übersetzen, damit sie die Reise durch unsere bestehenden Glasfaser-Autobahnen übersteht.
Dieses Papier erzählt die Geschichte eines Teams von Wissenschaftlern, die einen erfolgreichen Übersetzer für genau dieses Problem gebaut haben. Sie arbeiteten mit einem einzelnen gefangenen Calcium-Ion, das wie ein winziges, supergekühltes Atom ist, das durch unsichtbare Magnetfelder an Ort und Stelle gehalten wird. Dieses Ion erzeugt von Natur aus eine besondere Verbindung, eine sogenannte Verschränkung, zwischen sich selbst und einem Photon, das es ausstößt. In diesem Experiment wurden das Ion und das Photon unter Verwendung der Polarisation (der Spinrichtung) des Photons bei einer Wellenlänge von 854 nm „verschränkt“. 854 nm Licht ist jedoch zu kurzwellig, um weit durch Standard-Glasfaserkabel zu reisen, ohne verloren zu gehen. Daher nutzte das Team zuerst einen „Quantenfrequenzkonverter“, um die Farbe des Lichts in 1550 nm zu ändern – die Standard-„Telekom“-Farbe, die problemlos über lange Strecken durch Kabel reist.
Doch die Farbänderung allein war nicht genug; sie hatten immer noch das Problem mit dem Kreisel. Das Team baute daraufhin ein cleveres Gerät aus Glasfaserkabeln, das wie eine Rennstrecke funktionierte. Sie nahmen die Kreisel-Nachricht und teilten sie in zwei Pfade auf: einen kurzen Pfad und einen langen Pfad. Das Licht auf dem langen Pfad kam später an als das Licht auf dem kurzen Pfad. Durch das sorgfältige Mischen dieser beiden Pfade löschten sie die Information darüber aus, welchen Pfad das Licht genommen hatte, und wandelten effektiv den „Spin“ des Lichts in eine „Ankunftszeit“ um. Nun war die Nachricht nicht mehr durch definiert, wie das Licht rotiert, sondern dadurch, ob das Licht früh oder spät ankam. Dies ist das „Time-Bin“-Format, das wesentlich robuster ist und sich durch Temperaturveränderungen in den Kabeln nicht verwirren lässt.
Das Team hat die Maschine nicht nur gebaut, sondern auch bewiesen, dass sie funktioniert. Sie maßen den Endzustand des Lichts und des Atoms, um zu sehen, ob die besondere Verbindung (die Verschränkung) noch intakt war. Sie fanden heraus, dass der Prozess unglaublich erfolgreich war und die Verbindung mit einer Fidelität von 96,3(4,2)% bewahrte. Das bedeutet, dass von 100 Versuchen die übersetzte Nachricht fast perfekt identisch mit der ursprünglichen war, was beweist, dass man einen empfindlichen Quantenzustand nehmen, seine Farbe ändern und seine Sprache umschreiben kann, ohne die magische Verbindung zu brechen. Diese Errungenschaft ist ein wichtiger Schritt zum Aufbau eines „heterogenen“ Quantennetzwerks, in dem verschiedene Arten von Quantencomputern (wie gefangene Ionen und diamantbasierte Sensoren) über die bestehende Internetinfrastruktur miteinander kommunizieren können, was den Weg für ein wahres globales Quanteninternet ebnet.
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