Ein Quanten-Internet-Prototyp wurde einen halben Monat lang in New York getestet

Um Quantennetzwerke auf den Markt zu bringen, müssen Ingenieure die Fragilität verschränkter Zustände in einem Glasfaserkabel überwinden und eine effiziente Signalübertragung gewährleisten. Jetzt haben Wissenschaftler von Qunnect Inc. in Brooklyn, New York, einen großen Schritt nach vorne gemacht, indem sie ein solches Netzwerk unter den Straßen von New York City nutzbar gemacht haben.

Obwohl andere bereits verschränkte Photonen übertragen haben, gab es in der Faserumgebung zu viel Rauschen und Polarisationsdrift, als dass die Verschränkung überleben könnte, insbesondere in einem langfristig stabilen Netzwerk.

„Hier kommt unsere Arbeit ins Spiel“, sagte Mehdi Namazi, Mitbegründer und wissenschaftlicher Leiter von Qunnect. Das Netzwerkdesign, die Methoden und die Ergebnisse des Teams werden in veröffentlicht Quanten-PRX.

Für ihr Prototyp-Netzwerk nutzten die Qunnect-Forscher eine 34 Kilometer lange, gemietete Glasfaserleitung, die sie GothamQ-Loop nannten. Mit polarisierten Photonen ließen sie die Schleife 15 aufeinanderfolgende Tage lang laufen und erreichten eine Betriebszeit von 99,84 % und eine Kompensationstreue von 99 % für verschränkte Photonenpaare, die mit einer Rate von etwa 20.000 pro Sekunde übertragen wurden. Bei einer halben Million verschränkter Photonenpaare pro Sekunde lag die Genauigkeit immer noch bei nahezu 90 %.

Die Polarisation eines Photons entspricht der Richtung seines elektrischen Feldes. (Dies ist möglicherweise anhand des Wellenbilds des Lichts leichter zu verstehen.) Möglicherweise kennen Sie das Phänomen polarisierter Sonnenbrillen, bei denen es sich um Filter handelt, die Licht aus einer Polarisationsrichtung durchlassen, die anderen jedoch blockieren und so die vom Wasser reflektierte Blendung reduzieren. Schnee und Glas zum Beispiel.

Polarisierte Photonen sind nützlich, weil sie einfach zu erzeugen, einfach zu manipulieren (mit Polarisationsfiltern) und einfach zu messen sind.

Polarisationsverschränkte Photonen wurden in den letzten Jahren zum Aufbau großer Quantenrepeater, verteilter Quantencomputer und verteilter Quantensensornetzwerke verwendet.

Quantenverschränkung, Gegenstand des Nobelpreises für Physik 2022, ist das besondere Quantenphänomen, bei dem Teilchen in einem Quantenzustand eine Verbindung haben, manchmal über eine große Entfernung, sodass die Messung der Eigenschaften eines Teilchens automatisch die Eigenschaften anderer Teilchen bestimmt, mit denen es verbunden ist ist verwickelt.

Bei ihrem Design wird ein Infrarotphoton mit einer Wellenlänge von 1.324 Nanometern mit einem Nahinfrarotphoton von 795 nm verschränkt. Letzteres Photon ist in Wellenlänge und Bandbreite mit Rubidium-Atomsystemen kompatibel, wie sie beispielsweise in Speichern und Quantenprozessoren verwendet werden. Es wurde festgestellt, dass die Polarisationsdrift sowohl wellenlängen- als auch zeitabhängig ist, weshalb Qunnect aktive Kompensationsgeräte für dieselben Wellenlängen entwerfen und bauen musste.

Um diese verschränkten zweifarbigen Photonenpaare zu erzeugen, wurden gekoppelte Eingangsstrahlen bestimmter Wellenlängen durch eine mit Rubidium-78 angereicherte Dampfzelle geschickt, wo sie die Rubidiumatome innerhalb der Zelle anregten, wodurch ein äußeres Elektron zweimal durch ein 5p-Orbital wanderte zu einem 6s-Orbital.

Aus diesem doppelt angeregten Zustand wurde manchmal ein 1.324-nm-Photon emittiert, und der anschließende elektronische Zerfall erzeugte ein weiteres 795-nm-Photon.

Sie schickten Paare polarisierter 1.324-nm-Photonen in Quantenüberlagerungen durch die Faser, einen Zustand mit den beiden horizontalen Polarisationen und den anderen mit den beiden vertikalen Polarisationen – eine Zwei-Qubit-Konfiguration, allgemeiner als Bell-Zustand bekannt. Bei einer solchen Überlagerung befinden sich quantenmechanische Photonenpaare gleichzeitig in beiden Zuständen.

In optischen Kabeln reagieren diese photonischen Systeme jedoch empfindlicher auf Störungen ihrer Polarisation, die durch Vibrationen, Biegungen sowie Druck- und Temperaturschwankungen im Kabel verursacht werden, und erfordern möglicherweise häufige Neukalibrierungen. Da es nahezu unmöglich ist, diese Art von Störungen zu erkennen und zu isolieren, geschweige denn zu mildern, hat das Team von Qunnect automatische Polarisationskompensationsgeräte (APC) entwickelt, um sie elektronisch zu kompensieren.

Indem sie Paare klassischer, nicht verschränkter 1.324-nm-Photonen mit bekannten Polarisationen entlang der Faser schickten, konnten sie das Ausmaß messen, in dem ihre Polarisation driftete oder sich änderte. Die Polarisationsdrift wurde bei vier Übertragungsentfernungen gemessen: null, 34, 69 und 102 km, indem die konventionellen Photonen null, eins, zwei oder dreimal um die U-Bahn-Schleife unter den Straßen von Brooklyn und Queens geschickt wurden. Anschließend verwendeten sie APCs, um die Polarisation der verschränkten Paare zu korrigieren.

Die GothamQ-Loop-Demonstration von Qunnect zeichnete sich besonders durch ihre Dauer, die unkomplizierte Art der Betriebszeit und den Betriebszeitprozentsatz aus. Es zeige, so schrieben sie, „Fortschritte in Richtung eines praktischen, vollautomatischen Verschränkungsnetzwerks“, das für ein Quanteninternet erforderlich sei. Namazi sagte: „Seit wir diese Arbeiten abgeschlossen haben, haben wir bereits alle Komponenten in einem Rack montiert, sodass sie überall verwendet werden können“ – ein Kombinationsgerät, das sie Qu-Val nennen.

© 2024 Science X Network