研究者たちは、量子ネットワーキングにおける重要なステップである量子情報を初めて生成、保存、取得しました。
量子情報を共有する機能は、分散コンピューティングと安全な通信のための量子ネットワークを開発するために不可欠です。量子コンピューティングは、財務リスクの最適化、データの復号化、分子の設計、材料特性の研究など、いくつかの重要な種類の問題の解決に役立ちます。
しかし、長距離を伝送すると量子情報が失われる可能性があるため、この開発は延期されています。この障壁を克服する 1 つの方法は、ネットワークをより小さなセグメントに分割し、それらすべてを共有の量子状態でリンクすることです。
これを行うには、量子情報を保存し、それを再度取得する手段、つまり量子メモリ デバイスが必要です。これは、最初に量子情報の作成を可能にする別のデバイスと「通信」する必要があります。
研究者らは、これら 2 つの主要なコンポーネントを接続し、通常の光ファイバーを使用して量子データを送信するようなシステムを初めて作成しました。
この偉業は、インペリアル・カレッジ・ロンドン、サウサンプトン大学、ドイツのシュツットガルト大学とヴュルツブルク大学の研究者らによって達成され、その結果は次の論文で発表された。 科学の進歩.
共同筆頭著者のインペリアル・カレッジ・ロンドン物理学科のサラ・トーマス博士は次のように述べています。これを実証することができました。」
共同筆頭著者のシュツットガルト大学のルーカス・ワグナー氏は、「長距離の場所、さらには量子コンピューターの接続を可能にすることは、将来の量子ネットワークにとって重要な課題である」と付け加えた。
長距離通信
インターネットや電話回線などの通常の電気通信では、長距離にわたって情報が失われる可能性があります。これに対処するために、これらのシステムは通常のポイントで「リピーター」を使用し、信号を読み取って再増幅し、信号がそのまま目的地に到達することを保証します。
ただし、情報を読み取ったりコピーしようとすると情報が破壊されてしまうため、従来の中継器では量子情報を使用することはできません。量子接続は情報を破壊してユーザーに警告することなく「盗聴」できないため、これはある意味で利点です。しかし、これは長距離量子ネットワーキングにとって取り組むべき課題です。
この問題を克服する 1 つの方法は、量子情報を光または光子のもつれ粒子の形で共有することです。もつれ合った光子は、一方を他方なしでは理解できないほど特性を共有します。量子ネットワーク全体で長距離のもつれを共有するには、2 つのデバイスが必要です。1 つはもつれ光子を作成するためのもので、もう 1 つはそれらを保存して後で取得できるようにするためのものです。
もつれた光子の形で量子情報を作成し、それを保存するために使用されるデバイスはいくつかありますが、これらの光子をオンデマンドで生成することと、それらを保存する互換性のある量子メモリを持つことは、研究者にとって長い間実現できませんでした。
光子は特定の波長を持っていますが（可視光では異なる色を作り出します）、光子を作成および保存するためのデバイスは、多くの場合、異なる波長で動作するように調整されており、光子が干渉するのを防ぎます。
デバイスをインターフェースするために、チームは両方のデバイスが同じ波長を使用するシステムを作成しました。 「量子ドット」は（もつれのない）光子を生成し、それが量子メモリ システムに渡され、ルビジウム原子の雲内に光子が保存されました。レーザーがメモリを「オン」または「オフ」にし、必要に応じて光子を保存したり解放したりできるようにしました。
これら 2 つのデバイスの波長が一致しただけでなく、現在使用されている電気通信ネットワークの波長と同じであるため、日常のインターネット接続によく使われている通常の光ファイバー ケーブルで伝送することができます。
ヨーロッパの協力
量子ドット光源は、ヴュルツブルク大学の支援を受けてシュトゥットガルト大学の研究者によって作成され、インペリアルとサウサンプトンのチームが作成した量子メモリデバイスと接続するために英国に持ち込まれました。このシステムは、インペリアル カレッジ ロンドンの地下実験室で組み立てられました。
新しいシステムよりも効率的な独立した量子ドットと量子メモリが作成されていますが、これはデバイスを通信波長で接続できることの最初の証明です。
チームは今後、すべての光子が同じ波長で生成されるようにすること、光子の保存期間を改善すること、システム全体を小型化することなど、システムの改善に取り組む予定だ。
しかし、これは概念実証としては重要な前進であると、共著者であるサウサンプトン大学のパトリック・レディンガム博士は述べています。 「量子コミュニティのメンバーは、しばらくの間、このリンクを積極的に試みてきました。これには、5年以上前に異なるメモリと量子ドットデバイスを使用してこの実験を2回試みた私たちも含まれており、それがいかに難しいかを示しています。」
「今回の画期的な点は、専門家を招集して専門機器を使用して実験の各部分を開発および実行し、協力して機器を同期させたことです。」