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Jun 30, 2023

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19. April 2023 Dies

19. April 2023

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von ICFO

Quantenteleportation ist eine Technik, die die Übertragung von Quanteninformationen zwischen zwei entfernten Quantenobjekten, einem Sender und einem Empfänger, ermöglicht und dabei ein Phänomen namens Quantenverschränkung als Ressource nutzt.

Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass die eigentliche Information nicht durch das Senden von Quantenbits (Qubits) über einen Kommunikationskanal übertragen wird, der die beiden Parteien verbindet; Stattdessen werden die Informationen an einem Ort zerstört und erscheinen am anderen, ohne physisch zwischen den beiden hin- und herzuwandern. Diese überraschende Eigenschaft wird durch die Quantenverschränkung ermöglicht, die mit der Übertragung klassischer Bits einhergeht.

Heutzutage besteht im Bereich der Quantenkommunikation und Quantennetzwerke ein großes Interesse an der Quantenteleportation, da sie die Übertragung von Quantenbits zwischen Netzwerkknoten über sehr große Entfernungen unter Verwendung zuvor gemeinsamer Verschränkung ermöglichen würde.

Dies würde die Integration von Quantentechnologien in aktuelle Telekommunikationsnetze unterstützen und die durch diese Systeme ermöglichte hochsichere Kommunikation auf sehr große Entfernungen ausdehnen. Darüber hinaus ermöglicht die Quantenteleportation die Übertragung von Quanteninformation zwischen verschiedenen Arten von Quantensystemen, beispielsweise zwischen Licht und Materie oder zwischen verschiedenen Arten von Quantenknoten.

Quantenteleportation wurde theoretisch in den frühen 90er Jahren vorgeschlagen und experimentelle Demonstrationen wurden von mehreren Gruppen auf der ganzen Welt durchgeführt. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft umfangreiche Erfahrungen mit der Durchführung dieser Experimente gesammelt hat, bleibt die Frage offen, wie Informationen auf praktische Weise teleportiert werden können, um eine zuverlässige und schnelle Quantenkommunikation über ein erweitertes Netzwerk zu ermöglichen.

Es scheint klar, dass eine solche Infrastruktur mit dem aktuellen Telekommunikationsnetz kompatibel sein sollte. Darüber hinaus erfordert das Protokoll der Quantenteleportation, dass eine abschließende Operation auf das teleportierte Qubit angewendet wird, abhängig vom Ergebnis der Teleportationsmessung (übertragen durch klassische Bits), um die Informationen originalgetreu und mit einer höheren Rate zu übertragen, ein Merkmal Dies wird als aktives Feed-Forward bezeichnet.

Das bedeutet, dass der Empfänger ein Gerät namens Quantenspeicher benötigt, das das Qubit speichern kann, ohne es zu verschlechtern, bis die endgültige Operation implementiert werden kann. Schließlich sollte dieser Quantenspeicher in der Lage sein, im Multiplexmodus zu arbeiten, um die Geschwindigkeit der Teleportation von Informationen zu maximieren, wenn Sender und Empfänger weit entfernt sind. Bisher hatte keine Implementierung diese drei Anforderungen in derselben Demonstration integriert.

In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie haben die ICFO-Forscher Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac und Samuele Grandi unter der Leitung von ICREA-Professor Hugues de Riedmatten vom ICFO berichtet, dass sie Quanteninformationen über große Entfernungen von einem Photon zu einem Festkörper teleportieren konnten. Zustands-Qubit, ein Photon, das in einem gemultiplexten Quantenspeicher gespeichert ist.

Die Technik umfasste die Verwendung eines aktiven Feed-Forward-Schemas, das zusammen mit der Multimodalität des Speichers eine Maximierung der Teleportationsrate ermöglichte. Die vorgeschlagene Architektur war mit den Telekommunikationskanälen kompatibel und ermöglichte so eine zukünftige Integration und Skalierbarkeit für die Quantenkommunikation über große Entfernungen.

Das Team baute zwei Versuchsaufbauten, die im Fachjargon der Community üblicherweise Alice und Bob genannt werden. Die beiden Setups wurden durch eine 1 km lange Glasfaser verbunden, die auf einer Spule aufgewickelt war, um einen physischen Abstand zwischen den Parteien zu emulieren.

An dem Experiment waren drei Photonen beteiligt. Im ersten Aufbau, Alice, verwendete das Team einen speziellen Kristall, um zwei verschränkte Photonen zu erzeugen: das erste Photon bei 606 nm, genannt Signalphoton, und das zweite Photon, genannt Leerlaufphoton, kompatibel mit der Telekommunikationsinfrastruktur.

Nach der Erstellung „behielten wir das erste 606-nm-Photon bei Alice und speicherten es in einem Multiplex-Festkörper-Quantenspeicher, um es für die zukünftige Verarbeitung im Speicher zu halten. Gleichzeitig nahmen wir das bei Alice erzeugte Telekommunikationsphoton und schickten es.“ durch die 1 km lange Glasfaser, um zum zweiten Versuchsaufbau namens Bob zu gelangen“, erinnert sich Dario Lago.

In diesem zweiten Aufbau, Bob, hatten die Wissenschaftler einen weiteren Kristall, in dem sie ein drittes Photon erzeugten, in dem sie das Quantenbit kodiert hatten, das sie teleportieren wollten. Sobald das dritte Photon erzeugt war, war das zweite Photon von Alice bei Bob angekommen, und hier findet der Kern des Teleportationsexperiments statt.

Das zweite und dritte Photon interferierten einander durch eine sogenannte Bell-State-Messung (BSM). Der Effekt dieser Messung bestand darin, den Zustand des zweiten und dritten Photons zu vermischen. Dank der Tatsache, dass das erste und das zweite Photon von Anfang an verschränkt waren, d Quantenspeicher, 1 km entfernt.

Dario Lago und Jelena Rakonjac erwähnen: „Wir sind in der Lage, Informationen zwischen zwei Photonen zu übertragen, die noch nie zuvor in Kontakt waren, aber durch ein drittes Photon verbunden waren, das tatsächlich mit dem ersten verschränkt war. Die Einzigartigkeit dieses Experiments liegt in der Tatsache, dass wir verwendete einen gemultiplexten Quantenspeicher, der das erste Photon lange genug speichern konnte, sodass wir, als Alice herausfand, dass die Interaktion stattgefunden hatte, immer noch in der Lage waren, die teleportierten Informationen gemäß den Anforderungen des Protokolls zu verarbeiten.

Diese Verarbeitung, die Dario und Jelena erwähnen, war die zuvor erwähnte aktive Feed-Forward-Technik. Abhängig vom Ergebnis des BSM wurde auf das erste Photon nach der Speicherung im Speicher eine Phasenverschiebung angewendet. Auf diese Weise wäre im ersten Photon immer derselbe Zustand kodiert. Ohne dies müsste die Hälfte der Teleportationsereignisse verworfen werden.

Darüber hinaus ermöglichte ihnen die Multimodalität des Quantenspeichers, die Teleportationsrate über die durch den Abstand von 1 km zwischen ihnen auferlegten Grenzen hinaus zu erhöhen, ohne die Qualität des teleportierten Qubits zu beeinträchtigen. Insgesamt führte dies zu einer dreimal höheren Teleportationsrate als bei einem Single-Mode-Quantenspeicher, nur begrenzt durch die Geschwindigkeit der klassischen Hardware.

Der Vorläufer dieses Experiments war das von dieser Gruppe im Jahr 2021 durchgeführte Experiment, bei dem es ihnen erstmals gelang, zwei Multimode-Quantenspeicher zu verschränken, die 10 Meter voneinander entfernt waren und von einem Photon mit der Telekommunikationswellenlänge angekündigt wurden.

Wie Hugues de Riedmatten betont: „Quantenteleportation wird für die Ermöglichung hochwertiger Fernkommunikation im zukünftigen Quanteninternet von entscheidender Bedeutung sein. Unser Ziel ist es, Quantenteleportation in immer komplexeren Netzwerken mit bisher verteilter Verschränkung zu implementieren.“ Der Festkörper Der Multiplex-Charakter unserer Quantenknoten sowie ihre Kompatibilität mit dem Telekommunikationsnetz machen sie zu einem vielversprechenden Ansatz für den Einsatz der Technologie über große Entfernungen im installierten Glasfasernetz.“

Weitere Verbesserungen sind bereits in Planung. Einerseits konzentriert sich das Team auf die Entwicklung und Verbesserung der Technologie, um den Aufbau auf viel längere Distanzen auszudehnen und gleichzeitig die Effizienz und Geschwindigkeiten beizubehalten. Andererseits zielen sie auch darauf ab, diese Technik bei der Übertragung von Informationen zwischen verschiedenen Arten von Quantenknoten zu untersuchen und einzusetzen, für ein zukünftiges Quanteninternet, das in der Lage sein wird, Quanteninformationen zwischen entfernten Parteien zu verteilen und zu verarbeiten.

Mehr Informationen: Dario Lago-Rivera et al., Langstrecken-Multiplex-Quantenteleportation von einem Telekommunikationsphoton zu einem Festkörper-Qubit, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37518-5

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

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