Optimising physical parameters of a quantum network based on a loss-jitter trade-off

Stel je een wereld voor waarin informatie niet reist als elektrische pulsen of radiogolven, maar als individuele lichtdeeltjes die geheimen dragen die niet gekopieerd of onderschept kunnen worden zonder detectie. Dit is de belofte van kwantumnetwerken, een technologie die momenteel wordt gebouwd om communicatie te beveiligen en toekomstige kwantumcomputers met elkaar te verbinden. Het versturen van deze fragiele deeltjes door de glazen vezels die onze wereldwijde internet vormen is echter allesbehalve eenvoudig. Terwijl het licht reist, verzwakt het, verspreidt het zich in de tijd en raakt het in de war door de minuscule imperfecties in de detectoren die het opvangen. De onderzoekers aan de Universiteit van Bristol stonden voor een fundamentele vraag: hoe stem je de eigenschappen van deze lichtsignalen af om de meeste informatie door een glasvezelkabel te krijgen zonder deze te verliezen aan ruis of vertraging? Ze ontdekten dat er niet één enkele "beste" instelling is voor elke situatie; in plaats daarvan hangt de ideale keuze volledig af van hoe ver het signaal moet reizen en hoe nauwkeurig de tijdsapparatuur is.

Om de uitdaging te begrijpen, moet men eerst de aard van het signaal vatten. In deze netwerken wordt informatie vaak gedragen door paren verstrengelde fotonen, deeltjes die zo met elkaar verbonden zijn dat het meten van de één onmiddellijk de staat van de ander onthult, ongeacht de afstand. Het doel is om deze paren van een centrale bron naar twee verschillende gebruikers te sturen. Het probleem ontstaat omdat de glasvezelkabels die worden gebruikt voor standaard internetverkeer niet perfect zijn. Terwijl de fotonen reizen, lijden ze onder twee hoofdvijanden: verlies en dispersie. Verlies betekent dat de fotonen simpelweg verdwijnen, geabsorbeerd door het glas. Dispersie betekent dat de fotonen in de tijd uitspreiden, zoals een hardloper in een race die tegelijk met anderen start maar later aankomt omdat hij iets andere paden heeft genomen. Om het signaal op te vangen, moeten detectoren ongelooflijk precies zijn en een piepklein tijdsvenster openen om te zien of twee fotonen tegelijkertijd zijn gearriveerd. Als de fotonen door dispersie te veel zijn uitgespreid, of als de detectoren te traag reageren, vervaagt het signaal in de achtergrondruis en gaat de informatie verloren.

Het team, onder leiding van Marcus Clark en Siddarth Joshi, zette zich het doel om de perfecte balans tussen deze factoren in kaart te brengen. Ze bouwden een geavanceerde computersimulatie die fungeerde als een virtueel laboratorium, waarbij duizenden combinaties van vezeltypen, signaalkleuren en signaalbreedtes werden getest. Ze keken naar twee veelvoorkomende typen vezels: standaard single-mode vezel, de werkpaard van de telecommunicatie-industrie, en een gespecialiseerd type genaamd non-zero dispersion shifted fiber, ontworpen om licht anders te verwerken. Ze testten ook twee verschillende kleuren licht: één in de "O-band", die rond de 1310 nanometer reist, en een andere in de "C-band", rond de 1550 nanometer. De O-band staat bekend om het hebben van bijna geen dispersie, wat betekent dat de fotonen in de tijd compact blijven, terwijl de C-band bekend staat om een zeer laag verlies, wat betekent dat de fotonen verder kunnen reizen voordat ze vervagen.

De onderzoekers ontdekten dat de beste keuze sterk afhangt van de tijdsnauwkeurigheid van de apparatuur, ook wel jitter genoemd. Als de detectoren traag of onnauwkeurig zijn, met een tijdsonzekerheid groter dan 100 picoseconden, verschuift de prioriteit volledig naar het sterk houden van het signaal. In dit scenario is het licht in de C-band dat door standaardvezel reist de duidelijke winnaar, omdat het het minste signaal verliest over afstand. De lichte spreiding van het licht in de tijd doet er minder toe dan het feit dat er daadwerkelijk meer fotonen de bestemming bereiken. Echter, wanneer de detectoren extreem snel en precies zijn, met een jitter onder de 20 picoseconden, veranderen de regels. Voor korte afstanden, onder de 20 kilometer, is de O-band superieur. Omdat het licht niet in de tijd uitspreidt, konden de onderzoekers een zeer brede bandbreedte gebruiken, waardoor meer informatie in het signaal gepakt kan worden zonder dat het vervaagt. Deze brede bandbreedte maakt een veel hogere snelheid van gegevensoverdracht mogelijk, mits de afstand kort genoeg is zodat het signaal niet wegsterft.

De studie onthulde ook een cruciale afweging bij het overwegen van netwerken die veel signalen tegelijkertijd dragen, een techniek genaamd golflengte-multiplexing. In een enkelkanaalsverbinding kan een zeer brede bandbreedte perfect zijn voor een korte, snelle verbinding. Maar als je veel verschillende kanalen in dezelfde vezel wilt passen, laat het gebruik van een brede bandbreedte voor elk kanaal geen ruimte over voor de anderen. De simulaties toonden aan dat voor een netwerk dat ontworpen is om veel gebruikers tegelijkertijd te bedienen, de optimale strategie verschuift naar smallere bandbreedtes. In dit drukke scenario bleek de standaardvezel met C-band licht op 1550 nanometer de meest robuuste keuze voor bijna alle afstanden, behalve voor de zeer lange verbindingen die langer zijn dan 400 kilometer, waar de gespecialiseerde vezel de overhand neemt. De ideale bandbreedte voor deze gemultiplexte netwerken kwam uit op ongeveer 5 tot 10 gigahertz, een middenweg die ervoor zorgt dat genoeg signalen samengepakt kunnen worden terwijl de timing strak genoeg blijft om fouten te voorkomen.

Een van de belangrijkste bevindingen was dat de "beste" instelling geen vast getal is, maar een bewegend doelwit dat verandert met de afstand. Voor een korte verbinding van 10 kilometer kan een zeer brede bandbreedte van 100 gigahertz ideaal zijn als de detectoren snel zijn. Maar voor een lange verbinding van 100 kilometer zou diezelfde brede bandbreedte ervoor zorgen dat het signaal zo veel uitspreidt dat het onbruikbaar wordt, en de optimale keuze daalt naar slechts 5 gigahertz. De onderzoekers maakten gedetailleerde kaarten, of mozaïeken, die precies laten zien welke combinatie van vezeltype, lichtkleur en bandbreedte het beste werkt voor een gegeven afstand en tijdsnauwkeurigheid. Deze kaarten dienen als gids voor ingenieurs die de volgende generatie kwantumnetwerken bouwen, waardoor ze hun systemen kunnen afstemmen op de specifieke kabels en apparatuur die ze beschikbaar hebben.

Het werk adresseerde ook een veelvoorkomende discussie in het vakgebied over de vraag of kwantumsignalen dezelfde vezel moeten delen als het standaard internetverkeer. Hoewel sommige onderzoekers hebben betoogd dat het plaatsen van kwantumsignalen in de O-band helpt om interferentie van de heldere C-band signalen die worden gebruikt voor reguliere data te vermijden, suggereert dit artikel dat dergelijke co-existentie wellicht niet de toekomst is. Naarme de klassieke communicatietechnologie vordert en het hele spectrum van het licht gaat gebruiken, zal de grote kloof tussen de kwantum- en de klassieke signalen verdwijnen. In deze toekomst, waarin een enkele vezel alle soorten data draagt, geeft de studie aan dat het gebruik van een speciale vezel voor kwantumsignalen de meer praktische weg is. Dit stelt ingenieurs in staat om de vezel specifen voor kwantumbehoeften te optimaliseren zonder zich zorgen te maken over de ruis van naburige kanalen, wat de hoogst mogelijke veiligheid en snelheid garandeert.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een duidelijke routekaart voor het fysieke ontwerp van kwantumnetwerken. Het gaat verder dan het idee dat er één universele oplossing is en biedt in plaats daarvan een genuanceerd begrip van hoe verlies, dispersie en timing met elkaar interageren. Door deze interacties te simuleren, lieten de onderzoekers zien dat het optimaliseren van zowel de kleur van het licht als de breedte van het signaal de hoeveelheid veilige informatie die gedeeld kan worden drastisch kan verbeteren. Voor de ingenieurs die verantwoordelijk zijn voor het bouwen van deze netwerken is de boodschap duidelijk: er is geen enkele magische instelling. In plaats daarvan ligt succes in het zorgvuldig afstemmen van de eigenschappen van het signaal op de specifieke lengte van de kabel en de snelheid van de detectoren, om ervoor te zorgen dat de delicate kwantuminformatie intact aankomt, klaar om het potentieel van een nieuw tijdperk in communicatie te ontsluiten.