Eerste demonstratie van een Quantum Router

Natuurkundigen maken al geruime tijd gebruik van de kwantumaard van fotonen om informatie door te geven. En daarbij hebben ze ontdekt hoe krachtig kwantumcommunicatie kan worden vergeleken met de klassieke soort.

In plaats van de nullen en enen van digitale code te verzenden, kunnen kwantumcommunicators informatie verzenden in een superpositie van toestanden die tegelijkertijd zowel nullen als enen vertegenwoordigen. Bovendien kunnen afzonderlijke kwantumobjecten zoals een paar fotonen verstrengeld raken, wat betekent dat ze hetzelfde bestaan ​​delen, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Dat leidt tot een vorm van kwantuminformatie die geen klassieke tegenhanger heeft.

Kwantuminformatie is de drijvende kracht achter een aantal opkomende technologieën waarvan veel natuurkundigen verwachten dat ze in de toekomst een enorme impact op de samenleving zullen hebben: krachtige kwantumcomputers, (bijna) perfect beveiligde kwantumcryptografie en het kwantuminternet dat deze mogelijkheden over de hele planeet zal verspreiden.

Maar er is een probleem met deze visie op de kwantumtoekomst. Op dit moment kunnen natuurkundigen alleen fotonen met kwantuminformatie sturen over de lengte van een enkele optische vezel.

Het geleiden van de fotonen naar een andere vezel is een proces dat routering wordt genoemd en dat een stuursignaal gebruikt om de bestemming en route van een gegevenssignaal te bepalen. Een klassieke router leest eenvoudig de gegevens in het stuursignaal en leidt het gegevenssignaal dienovereenkomstig.

Maar in de kwantumwereld vernietigt het lezen van een stuursignaal het ook. Het is dus alleen mogelijk geweest om kwantumdatasignalen te routeren met behulp van klassieke stuursignalen. En hoewel dat handig is, kan het routeringsproces niet de volledige kracht van kwantuminformatie benutten.

Vandaag kondigen Xiuying Chang en een paar vrienden van de Tsinghau University in China aan dat ze de eerste kwantumrouter hebben gebouwd en getest die een kwantumbesturingssignaal gebruikt om de route van een kwantumgegevenssignaal te bepalen. We … realiseren de eerste proof-of-principle-demonstratie van een echte kwantumrouter, zeggen ze.

In dit nieuwe apparaat wordt de informatie gecodeerd in de polarisatie van fotonen, horizontaal of verticaal. De Chinese groep begint met het creëren van een enkel foton dat zich in een superpositie van zowel horizontale als verticale polarisatietoestanden bevindt.

Vervolgens zetten ze dit enkele foton om in een paar fotonen met lagere energie die verstrengeld zijn, een proces dat parametrische neerwaartse conversie wordt genoemd. Beide fotonen bevinden zich ook in een superpositie van polarisatietoestanden.

De router werkt door de polarisatie van een van deze fotonen als stuursignaal te gebruiken om de route van de andere, het datasignaal, te bepalen. Het apparaat is eenvoudig, niet meer dan een verzameling halve spiegels voor het geleiden van fotonen en golfplaten om hun polarisatie te roteren.

Laten we eerst de route volgen van het datafoton, dat wordt bepaald door een set halve spiegels die het de ene of de andere kant op sturen, afhankelijk van zijn polarisatie. De kunst is om de router zo in te stellen dat de polarisatie van het stuurfoton deze route beïnvloedt.

De Chinese groep doet dit door de polarisatie van het controlefoton te roteren met behulp van halve en kwartgolfplaten wanneer het datafoton de halve spiegels bereikt. Het kwantumfenomeen van verstrengeling zorgt er dan voor dat het datafoton dienovereenkomstig wordt gerouteerd. In feite werkt de router als een logische poort.

Natuurlijk is het routeringssucces een probabilistisch net als alle andere kwantumfenomenen. Chang en co beëindigen hun experiment door logische poort-achtige kenmerken van de router te verifiëren en ervoor te zorgen dat beide fotonen nog steeds verstrengeld zijn nadat ze er doorheen zijn gegaan.

Dat is een interessante stap voorwaarts, maar de nieuwe router heeft aanzienlijke beperkingen. De belangrijkste hiervan is dat het slechts één kwantumbit of qubit tegelijk aankan. En omdat het proces van parametrische downconversie niet meer qubits aankan, kan het niet worden geschaald naar meer qubits.

Dat is een belangrijk nadeel. Het betekent dat dit een proof-of-principle-apparaat is, maar niet een dat ooit de basis zal vormen van een toekomstig kwantuminternet.

In zekere zin lijkt het een beetje op de eerste kwantumcomputers die vertrouwden op nucleaire magnetische resonantie om de spins van de moleculen in een bak met aceton te manipuleren. Deze voerden triviale berekeningen uit met een handvol qubits, maar konden niet worden opgeschaald om iets interessants te doen.

Dat wil niet zeggen dat we nooit schaalbare kwantumrouters zullen hebben. Verschillende groepen werken aan verschillende benaderingen die de potentie hebben om op te schalen. De vooruitgang is gestaag maar traag.

Er komt een quantum-internet aan. Het probleem is dat niemand weet wanneer.

Referentie: arxiv.org/abs/1207.7265 : Experimentele demonstratie van een op verstrengeling gebaseerde kwantumrouter

zich verstoppen