211service.com
Een kwantumcommunicatieschakelaar
Het internet is gemaakt van fotonen die door glasvezelkabels ritsen en door apparaten zoals schakelaars, modulatoren en versterkers stromen. Maar die standaardapparaten zouden ontoereikend zijn voor supersnelle kwantumcomputing of communicatie - experimentele benaderingen die de eigenaardige eigenschappen van deeltjes op kwantumschaal benutten om ongelooflijk snel complexe berekeningen uit te voeren of om te voorkomen dat iemand berichten afluistert.
Schakel het op: De hier getoonde componenten kunnen verstrengelde fotonen omleiden.
Commerciële schakelaars hebben verschillende problemen waardoor ze ongeschikt zijn voor het omleiden van verstrengelde fotonen. Degenen die zijn gemaakt van micro-elektromechanische componenten, houden de verstrengelde toestanden intact, maar werken te langzaam. Andere opto-elektronische schakelaars voegen ofwel teveel ruis toe zodat afzonderlijke fotonen moeilijk te detecteren zijn, ofwel vernietigen ze de kwantuminformatie volledig.
Prem Kumar , hoogleraar elektrotechniek en informatica aan de Northwestern University, heeft een kwantumrouteringsschakelaar ontwikkeld die verstrengelde fotonen langs verschillende paden kan pendelen terwijl de kwantuminformatie intact blijft.
Het apparaat zou met name handig kunnen zijn voor kwantumcomputers, zegt James Franson , hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County. Om een kwantumcomputer te bouwen met fotonen, hebben we de mogelijkheid nodig om [verstrengelde] fotonen te schakelen, zegt Franson. Een kwantumschakelaar zou er op een dag ook voor kunnen zorgen dat verstrengelde fotonen van verschillende kwantumcomputers over lange afstanden worden gedeeld, zoals cloud computing, maar met kwantuminformatie.
Kumar zegt dat de overstap ook ultraveilige kwantumnetwerken zal realiseren. De informatie van vandaag wordt doorgaans beveiligd met behulp van zogenaamde public key-encryptie, die berust op de praktische onmogelijkheid om bepaalde wiskundige taken uit te voeren, zoals het ontbinden van extreem grote getallen. Quantumnetwerken zouden een nog veiliger alternatief bieden voor versleuteling met openbare sleutels. Het gebruik van verstrengelde fotonen om te communiceren zorgt voor veiligheid, omdat elke poging om een bericht te onderscheppen de kwantumtoestand van de deeltjes zou verstoren.
Om de nieuwe kwantumschakelaar te bouwen, gebruikten de onderzoekers commerciële glasvezelkabel en andere standaard optische componenten, zegt Kumar. Mijn doel is om dingen in de kwantuminformatieruimte te doen die zeer compatibel zijn met bestaande glasvezelinfrastructuren, zegt hij.
De eerste stap is het voorbereiden van de fotonen. Verstrengelde fotonen hebben eigenschappen, zoals polarisatie, die fundamenteel met elkaar verbonden zijn. Als twee fotonen verstrengeld zijn, onthult de gemeten polarisatie van de ene de overeenkomstige toestand van de andere. De onderzoekers gebruikten een techniek waarbij ze meerdere golflengten van licht binnen een standaardvezel met elkaar mengden om verstrengelde fotonparen te creëren.
De volgende stap is om één foton door de optische vezel naar de schakelaar te sturen, waardoor de koers van het foton verandert. De schakelaar van de onderzoekers bestaat alleen uit optische componenten, waaronder een spoel van 100 meter glasvezel die in een lus is gerangschikt. Een foton van een verstrengeld paar wordt door het ene uiteinde van de lus en door een multiplexer gestuurd, terwijl een krachtige laser lichtpulsen in de spoel stuurt. Het foton wordt zodanig verschoven dat het aan het andere uiteinde van de lus zich langs een apart pad scheidt, terwijl het verstrikt blijft met zijn partner.
Het eindresultaat is een schakelaar die erg snel is, weinig achtergrondgeluid heeft en vooral de kwantuminformatie behoudt. Enkele fotondetectoren aan het uiteinde van de vezels bevestigen dat beide fotonen hun verstrengelde toestand behielden, wat aantoont dat de kwantuminformatie behouden bleef. Het werk wordt beschreven in een recent nummer van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .
Het is een belangrijke ontwikkeling, want het wisselen van fotonen is echt het belangrijkste verschil om door te gaan met kwantumcomputing met fotonen, zegt Franson.