Onderzoekers hebben voor het eerst kwantuminformatie geproduceerd, opgeslagen en opgehaald, een cruciale stap in kwantumnetwerken.
Het vermogen om kwantuminformatie te delen is cruciaal voor de ontwikkeling van kwantumnetwerken voor gedistribueerd computergebruik en veilige communicatie. Kwantumcomputing zal nuttig zijn voor het oplossen van een aantal belangrijke soorten problemen, zoals het optimaliseren van financiële risico's, het decoderen van gegevens, het ontwerpen van moleculen en het bestuderen van de eigenschappen van materialen.
Deze ontwikkeling wordt echter vertraagd omdat kwantuminformatie verloren kan gaan wanneer deze over lange afstanden wordt verzonden. Eén manier om deze barrière te overwinnen is door het netwerk in kleinere segmenten te verdelen en ze allemaal met elkaar te verbinden in een gedeelde kwantumtoestand.
Om dit te doen is er een middel nodig om de kwantuminformatie op te slaan en weer op te halen: dat wil zeggen een kwantumgeheugenapparaat. Dit moet in de eerste plaats 'praten' met een ander apparaat dat het creëren van kwantuminformatie mogelijk maakt.
Voor het eerst hebben onderzoekers een dergelijk systeem gecreëerd dat deze twee belangrijke componenten met elkaar verbindt en gewone optische vezels gebruikt om de kwantumgegevens te verzenden.
Deze prestatie werd bereikt door onderzoekers van het Imperial College London, de Universiteit van Southampton en de universiteiten van Stuttgart en Wurzburg in Duitsland. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap Advances.
Co-eerste auteur Dr. Sarah Thomas, van het Departement Natuurkunde van het Imperial College London, zei: “Het met elkaar verbinden van twee belangrijke apparaten is een cruciale stap voorwaarts in het mogelijk maken van kwantumnetwerken, en we zijn erg enthousiast om het eerste team te zijn dat dit heeft gedaan dit kunnen aantonen.”
Co-eerste auteur Lukas Wagner, van de Universiteit van Stuttgart, voegde hieraan toe: “Het mogelijk maken van verbinding tussen langeafstandslocaties, en zelfs met kwantumcomputers, is een cruciale taak voor toekomstige kwantumnetwerken.”
Communicatie op afstand
Bij reguliere telecommunicatie, zoals internet of telefoonlijnen, kan informatie over grote afstanden verloren gaan. Om dit tegen te gaan, gebruiken deze systemen op regelmatige punten 'repeaters', die het signaal lezen en opnieuw versterken, zodat het intact op zijn bestemming aankomt.
Klassieke repeaters kunnen echter niet worden gebruikt met kwantuminformatie, omdat elke poging om de informatie te lezen en te kopiëren deze zou vernietigen. Dit is in één opzicht een voordeel, omdat kwantumverbindingen niet kunnen worden 'afgeluisterd' zonder de informatie te vernietigen en de gebruikers te waarschuwen. Het is echter een uitdaging die moet worden aangepakt voor kwantumnetwerken over lange afstand.
Eén manier om dit probleem te overwinnen is het delen van kwantuminformatie in de vorm van verstrengelde lichtdeeltjes of fotonen. Verstrengelde fotonen delen eigenschappen op zo’n manier dat je de een niet zonder de ander kunt begrijpen. Om verstrengeling over lange afstanden in een kwantumnetwerk te delen, heb je twee apparaten nodig: één om de verstrengelde fotonen te creëren en één om ze op te slaan zodat ze later kunnen worden opgehaald.
Er zijn verschillende apparaten die worden gebruikt om kwantuminformatie in de vorm van verstrengelde fotonen te creëren en op te slaan, maar beide die deze fotonen op verzoek genereren en een compatibel kwantumgeheugen hebben waarin ze kunnen worden opgeslagen, zijn onderzoekers lange tijd ontgaan.
Fotonen hebben bepaalde golflengten (die bij zichtbaar licht verschillende kleuren creëren), maar apparaten voor het creëren en opslaan ervan zijn vaak afgestemd om met verschillende golflengten te werken, waardoor ze geen interactie kunnen hebben.
Om de apparaten te laten communiceren, creëerde het team een systeem waarbij beide apparaten dezelfde golflengte gebruikten. Een 'quantum dot' produceerde (niet-verstrengelde) fotonen, die vervolgens werden doorgegeven aan een kwantumgeheugensysteem dat de fotonen opsloeg in een wolk van rubidiumatomen. Een laser zette het geheugen 'aan' en 'uit', waardoor de fotonen op verzoek konden worden opgeslagen en vrijgegeven.
Niet alleen kwam de golflengte van deze twee apparaten overeen, maar deze bevindt zich ook op dezelfde golflengte als de telecommunicatienetwerken die tegenwoordig worden gebruikt, waardoor deze kan worden verzonden via gewone glasvezelkabels die bekend zijn bij alledaagse internetverbindingen.
Europese samenwerking
De quantum dot-lichtbron is gemaakt door onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart met steun van de Universiteit van Würzburg en vervolgens naar Groot-Brittannië gebracht om te communiceren met het quantumgeheugenapparaat dat is gemaakt door het team van Imperial en Southampton. Het systeem werd geassembleerd in een kelderlaboratorium van het Imperial College London.
Hoewel er onafhankelijke kwantumdots en kwantumgeheugens zijn gecreëerd die efficiënter zijn dan het nieuwe systeem, is dit het eerste bewijs dat apparaten kunnen communiceren op telecommunicatiegolflengten.
Het team zal nu proberen het systeem te verbeteren, onder meer ervoor zorgen dat alle fotonen op dezelfde golflengte worden geproduceerd, de opslagduur van de fotonen verbeteren en het hele systeem kleiner maken.
Als proof of concept is dit echter een belangrijke stap voorwaarts, zegt co-auteur Dr. Patrick Ledingham van de Universiteit van Southampton. “Leden van de kwantumgemeenschap proberen deze link al een tijdje actief. Dit geldt ook voor ons, die dit experiment al twee keer eerder hebben geprobeerd met verschillende geheugen- en quantum dot-apparaten, en dat al meer dan vijf jaar oud is, wat alleen maar laat zien hoe moeilijk het is om te doen.
“De doorbraak deze keer was het bijeenroepen van experts om elk onderdeel van het experiment te ontwikkelen en uit te voeren met specialistische apparatuur en samen te werken om de apparaten te synchroniseren.”