Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers
Dit artikel presenteert de eerste demonstratie van door multiplexing verbeterde heralded verstrengeling tussen twee gevangen ionen quantumnodes over 1,2 km glasvezel, waarbij een 4,59-voudige versnelling in generatiesnelheid en een getrouwheid van 95,9% wordt bereikt door het gebruik van 10 temporele fotonische modi.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
De droom van een kwantuminternet rust op één enkele, fragiele verbinding: het vermogen om twee verre machines met elkaar te verbinden zodat ze een geheime staat delen, een fenomeen dat bekendstaat als verstrengeling. Stel je twee munten voor die, ongeacht hoe ver ze uit elkaar zijn, altijd op de tegenovergestelde zijde landen wanneer ze worden opgegooid; in de kwantumwereld kunnen deeltjes op deze manier aan elkaar gekoppeld worden, wat de ruggengraat vormt voor toekomstige technologieën zoals onkraakbare communicatie en krachtige gedistribueerde computers. Het bouwen van dit netwerk is echter ongelooflijk moeilijk omdat het signaal dat de verbinding draagt verzwakt en verloren gaat terwijl het door glasvezelkabels reist, vooral over lange afstanden. Om deze verbindingen te laten werken, moeten wetenschappers de verbinding snel en betrouwbaar creëren voordat het signaal vervaagt, een uitdaging die kwantumexperimenten lang heeft beperkt tot kleine, lokale opstellingen.
Een team onderzoekers aan de Tsinghua Universiteit heeft nu een belangrijke stap voorwaarts gezet door een methode te demonstreren om dit proces te versnellen met behulp van een techniek genaamd multiplexing. Ze slaagden erin een verstrengelde verbinding te creëren tussen twee gevangen-ion kwantumknooppunten gescheiden door 1,2 kilometer glasvezel. In hun experiment gebruikten de wetenschappers calciumionen, wat enkelvoudige atomen zijn die op hun plaats worden gehouden door elektromagnetische velden, als de kwantumknooppunten. Elk knooppunt bevatte één ion, en de onderzoekers gebruikten een slimme strategie om de lage snelheid van het licht en de lage waarschijnlijkheid van een succesvolle verbinding te overwinnen. In plaats van te proberen de verbinding één keer te maken en te wachten om te zien of het werkte, stuurden ze tien opeenvolgende snelle pogingen uit in één enkele ronde. Deze aanpak gaf hen effectief tien kansen om te slagen waar ze voorheen slechts één had, wat de snelheid waarmee de verstrengeling werd gevestigd aanzienlijk versnelde.
De opstelling omvatte twee verschillende locaties, genaamd Alice en Bob, gelegen op 2 meter afstand van elkaar in het lab maar verbonden met een centraal meetstation via elk 600 meter glasvezel, wat een totaal pad van 1,2 kilometer creëert. Het proces begon door de ionen te exciteren met laserpulsen, waardoor ze fotonen, oftewel lichtdeeltjes, uitzonden. Deze fotonen reisden door de vezels naar het midden, waar ze werden gemeten. Als de detectoren in het midden een specifiek patroon van licht zagen, signaleerde dit dat de twee verre ionen verstrengeld waren geraakt. Omdat de snelheid van het licht beperkt hoe snel informatie heen en weer kan reizen, moesten de onderzoekers wachten op het bevestigingssignaal voordat ze wisten of een poging succesvol was. Door gebruik te maken van tien tijdgebaseerde modi, of tien afzonderlijke tijdsintervallen voor deze pogingen, slaagden ze erin de snelheid van het genereren van deze verbindingen met een factor 4,59 te verhogen vergeleken met het gebruik van één enkele poging tegelijk.
De resultaten waren niet alleen sneller, maar ook opmerkelijk accuraat. Het team mat de kwaliteit van de verstrengeling en vond een fidelity van 95,9 procent, wat betekent dat de verbinding extreem dicht bij de perfecte theoretische staat was. Dit niveau van precisie is opvallend omdat het werd bereikt over een afstand die veel groter is dan eerdere records voor dit type systeem, die beperkt waren tot slechts enkele honderden meters. De onderzoekers bevestigden ook dat de ionen deze kwantumtoestand honderden milliseconden lang konden vasthouden, een duur die lang genoeg is om verdere operaties uit te voeren. Deze duurzaamheid is cruciaal voor het opschalen van het netwerk, omdat het de tijd biedt voor het systeem om informatie te verwerken en fouten te corrigeren.
Dit werk vertegenwoordigt de eerste keer dat dergelijke multiplexing is gebruikt om verstrengeling tussen gevangen ionen over een lange glasvezelverbinding te verbeteren. Hoewel eerdere experimenten met andere soorten materialen soortgelijke versnellingen hadden laten zien, bewijst deze studie dat de methode werkt voor ionen, die bekend staan om hun hoge stabiliteit en precisie. De onderzoekers gebruikten een dual-type ontwerp voor hun knooppunten, waarbij het deel van het ion dat wordt gebruikt voor communicatie wordt gescheiden van het deel dat wordt gebruikt voor geheugen, een kenmerk dat hen in de toekomst in staat zal stellen om meer ionen en qubits toe te voegen zonder het systeem te verstoren. Door deze architectuur te combineren met de multiplexingtechniek, heeft het team een robuust bouwblok gecreëerd voor een groter kwantumnetwerk. De bevindingen suggereren dat met verdere verfijningen om technische ruis, zoals laserinstabiliteit of fasefouten, te verminderen, de fidelity potentieel de 99 procent kan overschrijden, waardoor de visie op een grootschalig, functioneel kwantuminternet een stap dichter bij de realiteit komt.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.