Under de senaste decennierna har forskare inom området kvantfysik och ingenjörer arbetat med att utveckla nya och pålitliga system för kvantkommunikation. Dessa system kan fungera som ett testområde för utvärdering och främjande av kommunikationsprotokoll.
Nyligen presenterade forskare från University of Chicago en ny testplattform för kvantkommunikation med hjälp av separata överledande noder och visade en tvåvägs kommunikation på denna plattform. Deras arbete, publicerat i Physical Review Letters, kan öppna upp nya möjligheter för att uppnå effektiv kommunikation med komplexa kvanttillstånd i överledande kretsar.
”Vårt arbete fokuserar på utvecklingen av överledande qubits för modulära kvantdatorer och som en testplattform för kvantkommunikation”, sa Andrew Cleland, medförfattare till studien. ”Båda dessa områden förlitar sig på förmågan att sammanhängande kommunicera kvanttillstånd mellan qubit-noder, som är anslutna genom ett glest kommunikationsnätverk, vanligtvis en enda fysisk transmissionsledning.”
Studien som utfördes av forskarna bygger på två tidigare arbeten publicerade i Nature Physics och Nature. I dessa tidigare arbeten visade teamet förmågan att generera fjärrinflätning och skicka komplexa kvanttillstånd, var och en innehållande en qubit.
”I vår nya studie ville vi försöka skicka komplexa kvanttillstånd som representerar flera qubits samtidigt”, sa Cleland. ”För att göra detta läste vi in kvanttillståndet i en resonator och skickade sedan hela tillståndet från resonatorn genom transmissionsledningen för att fånga det med en separat analysresonator.”
Resonatorer, som uppvisar elektrisk resonans, har teoretiskt sett ett oändligt antal kvantnivåer. Detta gör att de teoretiskt sett kan lagra mycket komplexa tillstånd som kodar data från flera qubits. Genom att använda dessa resonatorer för att överföra och ta emot data kan tillgänglig bandbredd öka.
I experimentet använde Cleland och hans kollegor två överledande qubits, var och en ansluten till en överledande vågrörelseresonator. Var och en av dessa resonatorer var sedan ansluten till en 2 meter lång transmissionsledning med hjälp av en enhet som kallas variabel kopplare.
”Vi använder en överledande qubit för att ’programmera’ olika kvanttillstånd i den medföljande resonatorn med metoder vi utvecklade för många år sedan”, sa Cleland. ”Sedan aktiverar vi resonatorkopplingen till transmissionsledningen, frigör det (eventuellt komplexa) kvanttillståndet från resonatorn till transmissionsledningen, där det överförs som ett set av inflätade rörliga fotoner (eventuellt komplexa). Dessa fotoner ’fångas sedan upp’ av en annan resonator med hjälp av den omvända frisättningsprocessen, och vi använder qubiten i den resonatorn för att analysera det mottagna tillståndet. Systemet kan lika väl överföra data i båda riktningarna (därav ’tvåvägs’).”
Designen som användes av forskarna möjliggjorde tvåvägsöverföring av enstaka fotoner med en enda mikrovågsfrekvens, samt samtidig överföring av den tvåfoton Fock-tillståndet |2> i en riktning och den enskilda foton Fock-tillståndet |1> i den andra riktningen. Dessutom överförde de komplexa Fock-foton-tillstånden |0>+|1> och |0>+|2> separat.
”Nästa steg var att demonstrera skapandet av så kallade N00N-tillstånd, som representerar inflätning mellan två resonatorer och resulterar i skapandet av det inflätade tillståndet |10>+|01> med en qubit inflätad mellan de två resonatorerna, och sedan skapandet av tillståndet |20>+|02>, där två qubits var inflätade på samma sätt”, sa Cleland.
”Vårt arbete visar en genomförbar väg mot högeffektiv kommunikation med mer komplexa kvanttillstånd än enskilda fotoner mellan två noder.”
Den nya testplattformen för kvantkommunikation som föreslagits av Cleland och hans kollegor kan snart bana väg för ytterligare forskning och framsteg. Den kan användas för distribuerad beräkning, där varje nod i kretsen utför beräkningar och effektivt kommunicerar resultaten till en annan nod. Dessutom kan den tillämpas för att visa system där två noder delar ett komplext tillstånd och var och en utför olika manipulationer på det.
”Vår plattform kan också användas för kvantkommunikation, där till exempel kodad kvantinformation av viss komplexitet kan skickas i en enda överföring”, tillade Cleland. ”För närvarande arbetar vi med flera olika aspekter av detta experiment, som att planera att öka antalet noder (vilket var två i vårt senaste experiment), förbättra processens noggrannhet och utforska vad som är möjligt med ett större antal samtidiga kommunikationskanaler.”
Frågor och svar:
The source of the article is from the blog radiohotmusic.it