Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks
Dit artikel demonstreert een schaalbare experimentele realisatie van zero-added-loss multiplexing (ZALM) voor langeafstand kwantumnetwerken door het bereiken van high-fidelity entanglement swapping over 16 parallelle frequentiemodi en een pomprepetitierate van 3,0 GHz, wat resulteert in een totale swapping-rate van 5,38 paren per seconde en een geprojecteerde ZALM Bell-paar-rate van 820 paren per seconde.
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 belooft een toekomst waarin informatie met absolute veiligheid reist en computers problemen oplossen die momenteel onmogelijk zijn. Om deze visie werkelijkheid te maken, moeten wetenschappers netwerken bouwen die delicate kwantumtoestanden, bekend als verstrengelde paren, over lange afstanden kunnen verzenden zonder hun speciale verbinding te verliezen. De grootste hindernis is dat deze kwantumsignalen vervagen terwijl ze door glasvezelkabels reizen, vergelijkbaar met een fluistering die wegsterft in een grote zaal. Om dit te overwinnen, ontwikkelen onderzoekers apparaten die kwantumrepeaters worden genoemd. Deze repeaters fungeren als relaisstations die een vervagend signaal opvangen, het verfrissen en vervolgens doorgeven. Echter, om een repeater snel genoeg te laten werken om nuttig te zijn, moet deze vele signalen tegelijkertijd verwerken. Een grote uitdaging is geweest om uit te vogelen hoe deze signalen verwerkt kunnen worden zonder fouten te introduceren of de zeer waardevolle informatie zelf te verliezen.
Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuwe manier te demonstreren om deze kwantumsignalen te creëren en te beheren. Ze hebben succesvol een bron gebouwd die verstrengelde paren van lichtdeeltjes, genaamd fotonen, over zestien verschillende kleurkanalen tegelijkertijd kan genereren. In hun experiment slaagden ze erin om de verstrengeling tussen deze zestien parallelle stromen licht te wisselen met een gemiddeld succespercentage van 93,9 procent. Dit betekent dat de delicate kwantumverbinding met hoge nauwkeurigheid behouden bleef over alle kanalen. Door deze mogelijkheid om veel kleuren tegelijk te verwerken te combineren met een zeer snelle pulssnelheid van 3,0 miljard keer per seconde, bereikten ze een totale generatiesnelheid van 5,38 paren per seconde. Wanneer men rekening houdt met de efficiëntie van hun systeem, vertaalt dit zich naar een potentieel rendement van 820 paren per seconde, een cijfer dat een nieuw prestatieniveau vertegenwoordigt voor dit type technologie.
De kern van hun prestatie ligt in een methode genaamd zero-added-loss multiplexing. Stel je voor dat je probeert een bericht door een drukke kamer te sturen waarbij je slechts één woord tegelijk kunt spreken; je zou dan erg traag zijn. Multiplexing is als het geven van zestien verschillende stemmen aan jezelf om tegelijkertijd mee te spreken, waardoor je veel meer informatie kunt verzenden in dezelfde hoeveelheid tijd. In de wereld van het licht zijn deze "stemmen" verschillende kleuren, of frequenties. De onderzoekers gebruikten standaardapparatuur, specifiek filters die licht scheiden in kanalen met een tussenruimte van 50 gigahertz, om zestien van deze kleurstromen te beheren. Ze vormden de laserpulsen die gebruikt werden om de lichtdeeltjes te creëren zorgvuldig, zodat elk kleurkanaal puur en onderscheidend bleef, waardoor de verwarring die meestal optreedt bij het samenpakken van zoveel signalen werd vermeden. Deze precisie stelde hen in staat om een complexe operatie uit te voeren genaamd entanglement swapping, waarbij twee aparte paren deeltjes aan elkaar worden gekoppeld om een nieuwe, langere verbinding te vormen, terwijl de zestien kanalen parallel bleven draaien.
Om te garanderen dat het systeem correct functioneerde, moest het team een specifieke tijdsuitdaging overwinnen. Omdat ze pulsen zo snel verzonden, was de kloof tussen hen extreem klein. Als de detectoren die de deeltjes opvingen te traag of onnauwkeurig waren, zouden ze een deeltje van één puls verwarren met een deeltje van de volgende, wat het experiment zou ruïneren. De onderzoekers gebruikten uiterst gevoelige detectoren die de aankomsttijd van een deeltje met een precisie van 39 picoseconden konden onderscheiden. Deze snelheid was snel genoeg om de pulsen, die elke 333 picoseconden arriveerden, duidelijk te scheiden, wat ervoor zorgde dat de kwantuminformatie schoon en onbedorven bleef. Het resultaat was een systeem waarbij de lichtdeeltjes in elk van de zestien kanalen bijna identiek waren aan elkaar, een vereiste voor het slagen van de entanglement swapping.
Het experiment bevestigde dat deze aanpak niet alleen theoretisch mogelijk is, maar ook praktisch levensvatbaar. De onderzoekers maten de kwaliteit van de gecreëerde verstrengelde paren en stelden vast dat ze een hoge mate van fidelity behielden, wat betekent dat de deeltjes exact de kwantumtoestand behielden die vereist is voor toekomstige netwerken. Ze toonden ook aan dat door gebruik te maken van standaard, commercieel beschikbare componenten voor de kleurseparatie, de technologie schaalbaar is en niet afhankelijk is van exotische, op maat gemaakte machines. Hoewel hun huidige opstelling slechts enkele paren per seconde produceerde, suggereren hun computermodellen dat met verdere verbeteringen, zoals het gebruik van nog meer kleurkanalen en het verminderen van signaalverlies, de snelheid met ordes van grootte kan toenemen. Dit werk legt een duidelijk pad vast naar het bouwen van de hogesnelheids-, langafstands-kwantumnetwerken die essentieel zullen zijn voor de volgende generatie veilige communicatie en gedistribueerde computing.
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.