Entanglement distribution and quantum storage of more than 8000 modes over a metropolitan network
Diese Arbeit demonstriert einen Quantenrepeater-Knoten unter Verwendung eines multimodalen Seltenerdionen-Speichers, der erfolgreich Verschränkung über ein metropolitanes Glasfasernetz verteilt und dabei über 8.000 zeitliche Moden speichert, was einen bedeutenden Schritt in Richtung einer praktischen, hochkapazitiven Quantenkommunikation darstellt.
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 als eine riesige, belebte Autobahn vor, auf der Informationen mit Lichtgeschwindigkeit umherrasen. Stellen Sie sich nun vor, Sie versuchen, eine Superautobahn für eine völlig neue Art von Verkehr zu bauen: „Quanten“-Informationen. Dabei geht es nicht nur darum, E-Mails schneller zu versenden; es geht darum, ein Netzwerk zu schaffen, das grundlegend unhackbar ist und in der Lage ist, Probleme zu lösen, für die heutige Supercomputer Millionen von Jahren bräuchten. Um dies zu ermöglichen, versuchen Wissenschaftler, „Quanten-Repeater“ zu bauen. Betrachten Sie diese wie Raststätten auf einer langen Autofahrt. Da Quantensignale unglaublich zerbrechlich sind, können sie nicht sehr weit reisen, ohne zu verblassen oder verloren zu gehen. Ein Repeater fängt das Signal auf, speichert es sicher und schickt es dann auf seinem Weg zur nächsten Station. Aber hier liegt der Knackpunkt: Das Signal reist so schnell, dass es, bis der Repeater herausgefunden hat, wie er es speichern kann, bereits vorbeigezoomt ist. Um dies zu beheben, muss der Repeiter in der Lage sein, viele Signale gleichzeitig zu fangen, wie ein Netz, das einen ganzen Schwarm Fische statt nur eines einzelnen Fisches einsammeln kann. Dies wird „Multiplexing“ genannt, und es ist das Geheimrezept, das benötigt wird, um ein echtes, funktionierendes Quanteninternet zu erschaffen.
In dieser spannenden neuen Studie hat ein Forscherteam aus der Schweiz und Finnland einen Prototyp eines dieser hochtechnologischen Raststätten gebaut und ihn unter realen Bedingungen getestet. Sie entwickelten ein spezielles „Quantenspeicher“, das aus einem mit Seltenerd-Ionen (speziell Ytterbium-171) dotierten Kristall besteht. Sie können sich diesen Kristall als einen magischen Schwamm vorstellen, der Lichtteilchen (Photonen) aufsaugen kann und sie für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde festhält, bevor er sie wieder ausspuckt. Das Team hat nicht nur ein einzelnes Photon gespeichert; es gelang ihnen, tausende davon gleichzeitig zu speichern, wodurch sie effektiv eine einspurige Straße in eine massive mehrspurige Superautobahn verwandelten.
Die Forscher führten ihr Experiment auf zwei Arten durch. Zuerst schickten sie in ihrem Labor ein Photon durch eine lange Spule aus Glasfaserkabel (25,3 Kilometer) und speicherten dessen Partnerphoton in ihrem Kristallgedächtnis. Sie bewiesen, dass die beiden Photonen „verschränkt“ blieben – eine spukhafte Quantenverbindung, bei der sie unabhängig von der Entfernung ein gemeinsames Schicksal teilen – selbst nach der Speicherung. Doch die wahre Magie geschah, als sie diesen Aufbau aus dem Labor nahmen und in die Stadt Genf brachten. Sie verbanden ihren Quantenspeicher mit einem Detektor in einem anderen Universitätsgebäude über eine 5,66 Kilometer lange Strecke des tatsächlichen städtischen Glasfasernetzes.
Die Ergebnisse waren beeindruckend. Im Labor speicherten und riefen sie die Verschränkung erfolgreich über 16.340 verschiedene „Zeitschlitze“ (oder Modi) gleichzeitig ab. Als sie zu ihrem Stadtnetz wechselten, schafften sie es immer noch, erstaunliche 8.235 Modi für 63 Mikrosekunden zu speichern. Um dies in Perspektive zu setzen: Vorherige Experimente hatten nur einige Dutzend oder vielleicht einige hundert Modi gespeichert. Durch die Verwendung eines mathematischen Werkzeugs namens „Schmidt-Zerlegung“ zeigten die Forscher, dass ihr Speicher unglaublich effizient darin ist, diese massive Menge an Daten gleichzeitig zu verarbeiten. Sie bestätigten auch, dass die Verschränkung die Reise durch die Stadtkabel überstanden hat, was beweist, dass diese Technologie auch außerhalb einer kontrollierten Laborumgebung funktionieren kann.
Obwohl dies noch kein voll funktionsfähiges Quanteninternet ist, ist es ein riesiger Sprung nach vorn. Die Arbeit legt nahe, dass wir durch die Verwendung dieser spezifischen Art von Kristall und Speichertechnik die größte Engstelle im Quanten-Networking überwinden können: das durch die Lichtgeschwindigkeit verursachte Geschwindigkeitslimit. Die Forscher merken an, dass ihr aktuelles System zwar eine enorme Verbesserung darstellt, aber noch Raum zum Wachsen bleibt. Sie weisen darauf an, dass die „Haltezeit“ des Speichers potenziell von Mikrosekunden auf Millisekunden verlängert werden und die Effizienz weiter gesteigert werden könnte. Für den Moment haben sie jedoch demonstriert, dass es möglich ist, einen Quanten-Repeater-Knoten zu bauen, der tausende von Quantensignalen gleichzeitig auffangen, halten und freigeben kann, was den Weg für eine Zukunft ebnet, in der Quantenkommunikation nicht nur ein Traum ist, sondern eine Realität, die direkt unter unseren Füßen in den Glasfaserkabeln der Stadt läuft.
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