Terwijl de inspanningen voor de realisatie van krachtige kwantumcomputers en kwantumsimulators voortduren, is er een parallel programma gericht op het bereiken van de kwantumanaloog aan het klassieke internet.
Dit nieuwe kwantumnetwerk zal ultraveilige, kwantumveilige cyberbeveiliging bieden en uiteindelijk gewijd zijn aan de uitwisseling van qubits, de unitaire elementen van kwantuminformatie en de taal van kwantumcomputers. Het zal in feite een netwerk opleveren waarover verschillende kwantumcomputers verbinding kunnen maken, zoals klassieke processors dat bij cloud computing doen.
Een eerste keuze voor de toekomstige kwantuminternetinfrastructuur is in feite het bestaande telecommunicatienetwerk, dat een vrijwel alomtegenwoordig kanaal biedt waarover licht zeer grote afstanden kan afleggen met beperkte absorptie. Vanwege deze lage absorptie en de hoge snelheid is licht een uitstekende kandidaat als informatiedrager, zowel klassiek als kwantum.
Helder laserlicht kan gemakkelijk worden gebruikt om klassieke informatie op internet over te brengen, terwijl de verzwakking van licht in optische vezels wordt gecompenseerd door lichtversterkers die elke tien kilometer binnen deze vezels worden geplaatst. De overdracht van kwantuminformatie – kwantumcommunicatie – vereist echter veel geavanceerdere middelen.
Kwantumbits worden nog steeds gecodeerd in licht, met name in afzonderlijke fotonen, maar deze kwantumcodering kan niet worden versterkt omdat de regels van de kwantummechanica dit verhinderen; als je de kwantumcodering probeert te versterken, beschadig je de informatie in de fotonen ernstig. De versterkers die in klassieke netwerken worden gebruikt, kunnen dus niet worden gebruikt voor kwantumbits. Dit betekent dat een radicaal nieuw technologie is nodig om een quantumversie van het internet te bouwen: de quantum repeater.
Terwijl lichtversterkers zorgen voor connectiviteit tussen verre locaties, zullen kwantumrepeaters communicatie over lange afstanden mogelijk maken door verstrengeling daartussen te verspreiden.
Verstrengeling is een uitsluitend kwantumeigenschap van twee objecten die correlaties vertonen die niet met klassieke middelen kunnen worden gereproduceerd, en het is een van de belangrijkste componenten van kwantumcommunicatie. Het kan worden gebruikt om kwantuminformatie over te dragen, bijvoorbeeld via kwantumteleportatie tussen twee knooppunten van een kwantumrepeatersysteem.
Eén manier om verstrengeling tussen twee knooppunten tot stand te brengen is door middel van directe transmissie: er kan een verstrengeld paar fotonen worden gegenereerd, waarbij de ene op zijn plaats blijft terwijl de andere naar de andere locatie reist. Dit betekent dat de laatste compatibel moet zijn met optische vezeltransmissie, terwijl de eerste moet worden opgeslagen in een kwantumgeheugen, wat leidt tot verstrengeling tussen licht en materie.
Nu heb je een set kwantumrepeaters nodig om verschillende van deze knooppunten te koppelen om verstrengeling over lange afstanden tussen kwantumgeheugens te bereiken. Een veelbelovende architectuur voor deze quantum repeater-knooppunten is gebaseerd op het koppelen van de spontane generatie van fotonparen, een proces dat bekend staat als spontane down-conversion (SPDC), met een extern kwantumgeheugen.
Dit is de aanpak die onderzoekers van ICFO hebben gevolgd. In een nieuwe studie die verschijnt op de arXiv preprint server, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera en Felicien Appas, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Hugues de Riedmatten demonstreren de transmissie van verstrengeling van licht en materie over tientallen kilometers optische vezels.
In hun experiment genereerden ze paren fotonen, waarvan de ene wordt uitgezonden op de telecommunicatiegolflengte van 1436 nm, terwijl de andere wordt uitgezonden op 606 nm, compatibel met de gebruikte kwantumgeheugens in vaste toestand, gerealiseerd in speciale kristallen gedoteerd met zeldzame aardatomen.
Vervolgens maakten ze gebruik van het grootstedelijke netwerk van Barcelona en verbond hun systeem met twee vezels die liepen van ICFO, in Castelldefels, naar het Telecommunicatiecentrum van Catalonië (CTTI) en Hospitalet de Llobregat. Door beide centra met elkaar te verbinden, creëerden ze een ring van 50 km, waardoor de fotonen helemaal naar het centrum van Barcelona en terug naar ICFO werden gestuurd.
Hiermee hebben ze aangetoond dat het in het laboratorium gegenereerde licht na een volledige rondreis van 50 km zijn kwantumkenmerken behoudt zonder substantiële afname, wat aantoont dat de fotonische qubits geen decoherentie vertonen wanneer ze tientallen kilometers over een glasvezelkabel reizen. zelfs in een grootstedelijk gebied. Kortom, kwantumlicht verliet het laboratorium en werd uiteindelijk terug bij zijn oorsprong gedetecteerd.
Kwantumcommunicatie vereist echter het gebruik en de verificatie van verstrengeling tussen afgelegen locaties, waarbij verstrengelde fotonen worden gedetecteerd op locaties die goed gescheiden zijn in ruimte en tijd. In deze richting breidden de onderzoekers hun netwerk uit met een nieuw knooppunt, dit keer gelegen bij de i2CAT-stichting, een gebouw in Barcelona, ongeveer 44 km van ICFO via het lokale glasvezelnetwerk en 17 km in een rechte lijn.
Daar installeerden ze een telecomdetector om de aankomst te meten van fotonen die door een van de vezels kwamen, terwijl de andere vezel was aangesloten op een transducer, die het elektrische signaal van de detector in licht veranderde en door de optische vezellijn stuurde.
Op deze manier kon de informatie met hoge precisie worden teruggestuurd naar ICFO, ook al werd het foton op ongeveer 17 km afstand gedetecteerd. Bovendien gebruikten ze dezelfde transducers om synchronisatiesignalen te verzenden tussen de twee knooppunten van dit basisnetwerk, waarbij het genereren en detecteren van kwantumcorrelaties volledig gescheiden was tussen twee onafhankelijke maar toch verbonden knooppunten.
Het experiment valideerde het systeem dat door de onderzoekers werd gebruikt om verstrengeling van licht en materie te genereren en is een van de baanbrekende kandidaten gebleken voor de realisatie van een quantum repeater node, de technologie die kwantumcommunicatie over lange afstand mogelijk maakt. In het laboratorium zijn al proof-of-principle-demonstraties gerealiseerd en de groep werkt nu aan het verbeteren van de prestaties van zowel het geheugen als de bron.
Bovendien werken de onderzoekers samen met Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya) en is er een nieuw laboratorium beschikbaar in de Collserola-toren in de context van de QNetworks- en EuroQCI Spanje-projecten voor de realisatie van een verstrengelde staat van kwantumgeheugens op afstand.
De realisatie van een langeafstandsruggengraat voor de distributie van verstrengeling tussen kwantumgeheugens is ook een van de hoofddoelen van de Quantum Internet Alliance (QIA), de leidende Europese inspanning bij de realisatie van het kwantuminternet waarvan ICFO een belangrijke partner is.
De resultaten van deze studie, “namelijk de transmissie van verstrengeling van licht en materie over vezels die in een grootstedelijk gebied worden ingezet, vormen de eerste opstap naar de realisatie van een volwaardig kwantuminternet, met ons bron- en geheugenkwantumknooppunt als kern. ” zegt Samuele Grandi, onderzoeker bij ICFO en co-eerste auteur van het onderzoek.
Zoals ICREA-professor bij ICFO Hugues de Riedmatten concludeert: “De verstrengeling van licht en materie is een sleutelbron voor kwantumcommunicatie en is al vele malen in het laboratorium gedemonstreerd. Het demonstreren ervan in het geïnstalleerde glasvezelnetwerk is een eerste stap in de richting van het realiseren van een proeftuin voor kwantumrepeatertechnologieën in de omgeving van Barcelona, waarmee de basis wordt gelegd voor glasvezelnetwerken over lange afstanden.”