Forscher demonstrieren die Übertragung von Zuständen mit mehreren Photonen zwischen entfernten supraleitenden Knoten

10. Februar 2024 Feature

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Redakteure haben die folgenden Merkmale hervorgehoben, um die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherzustellen:

• Faktengesichert
• Von Fachkollegen geprüfte Veröffentlichung
• Vertrauenswürdige Quelle

Korrekturgelesen von Ingrid Fadelli, Phys.org

In den letzten Jahrzehnten haben Quantenphysiker und Ingenieure versucht, neue zuverlässige Quantenkommunikationssysteme zu entwickeln. Diese Systeme könnten letztendlich als Testumgebung dienen, um Kommunikationsprotokolle zu bewerten und weiterzuentwickeln.

Forscher der Universität Chicago haben kürzlich eine neue Quantenkommunikations-Testumgebung mit entfernten supraleitenden Knoten eingeführt und bidirektionale Multiphotonenkommunikation auf dieser Testumgebung demonstriert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in der Physical Review Letters, könnte einen neuen Weg zur Realisierung der effizienten Kommunikation komplexer Quantenzustände in supraleitenden Schaltkreisen eröffnen.

"Wir entwickeln supraleitende Qubits für modulare Quantencomputing und als Quantenkommunikationstestumgebung", sagte Andrew Cleland, Mitautor der Arbeit, zu Phys.org. "Beide beruhen darauf, dass Quantenzustände kohärent zwischen Qubit-'Knoten' kommuniziert werden können, die über ein dünnen Kommunikationsnetzwerk verbunden sind, in der Regel eine einzelne physische Leitung."

Die jüngste Untersuchung der Forscher baut auf zwei früheren wissenschaftlichen Arbeiten auf, die in Nature Physics und Nature veröffentlicht wurden. In diesen früheren Arbeiten hat das Team gezeigt, dass sie entfernte Verschränkungen erzeugen und komplexe Quantenzustände senden können, von denen jeder Qubit nach und nach.

"In unserer neuen Studie wollten wir versuchen, komplexe Quantenzustände zu senden, die mehrere Qubits gleichzeitig repräsentieren", sagte Cleland. "Dazu haben wir den zu sendenden Quantenzustand in einen Resonator geladen und dann den gesamten Resonatorzustand in die Übertragungsleitung gesendet und ihn mit einem entfernten Resonator für spätere Analyse aufgefangen."

Resonatoren, Vorrichtungen, die elektrische Resonanz aufweisen, haben theoretisch unendlich viele Quantenniveaus. Daher sind sie theoretisch in der Lage, sehr komplexe Zustände zu speichern, die mehrere Qubits an Daten enthalten. Durch die Verwendung von Resonatoren zur Übertragung und Empfang von Daten könnte die verfügbare Bandbreite erhöht werden.

In ihrem Experiment verwendeten Cleland und seine Kollegen zwei supraleitende Qubits, von denen jedes mit einem einstellbaren supraleitenden Resonator verbunden war. Jeder dieser Resonatoren war wiederum über einen variablen Koppler mit einer 2 m langen Übertragungsleitung verbunden.

"Wir verwenden ein supraleitendes Qubit, um verschiedene Quantenzustände in seinen Begleitresonator 'einzuprogrammieren', unter Verwendung von Methoden, die wir vor vielen Jahren etabliert haben", sagte Cleland.

"Dann schalten wir die Kopplung des Resonators zur Übertragungsleitung ein und geben den (möglicherweise komplexen) Quantenzustand aus dem Resonator in die Übertragungsleitung frei, wo er als (möglicherweise komplexes) Set von verschränkten beweglichen Photonen übertragen wird. Diese werden dann von dem anderen Resonator mit dem umgekehrten Vorgang aufgefangen, und wir verwenden das Qubit dieses Resonators, um den empfangenen Zustand zu analysieren. Das System kann in beiden Richtungen gleichermaßen gut übertragen (daher 'bidirektional')."'

Das von den Forschern implementierte Design ermöglichte ihnen die bidirektionale Übertragung von einzelnen Mikrowellenfrequenzphotonen sowie die gleichzeitige Übertragung eines Zwei-Photonen-Fock-Zustands |2> in eine Richtung mit der Übertragung eines Ein-Photonen-Fock-Zustands |1> in die andere Richtung sowie die (getrennte) Übertragung von überlagerten Photon-Fock-Zuständen |0>+|1> und |0>+|2>.

"Dann haben wir die Erzeugung von sogenannten N00N-Zuständen gezeigt, die die Verschränkung zwischen den beiden Resonatoren repräsentieren und letztendlich zuerst die Erzeugung des verschränkten Zustands |10>+|01> mit einem Photon, das zwischen den beiden Resonatoren 'geteilt' wird, und dann die Erzeugung des Zustands |20>+|02> mit zwei Photonen, die auf die gleiche Weise 'geteilt' werden", sagte Cleland.

"Insgesamt zeigt unsere Arbeit einen praktikablen Weg für eine sehr effiziente Kommunikation komplexerer Quantenzustände als nur einzelne Photonen zwischen zwei Knoten."

Die von Cleland und seinen Kollegen eingeführte neue Quantenkommunikations-Testumgebung könnte bald den Weg zu weiteren Arbeiten und Fortschritten ebnen. Erstens könnte sie zur Realisierung von verteiltem Computing verwendet werden, bei dem jeder Knoten in einem Schaltkreis Berechnungen durchführt und die Ergebnisse effizient an einen anderen Knoten kommuniziert. Außerdem könnte sie zum Nachweis von Systemen verwendet werden, bei denen zwei Knoten einen komplexen Zustand teilen und jeder eine eigene Manipulation an diesem Zustand durchführt.

"Unsere Plattform könnte auch für die Quantenkommunikation verwendet werden, bei der beispielsweise kodierte Quanteninformationen von gewisser Komplexität in einem einzelnen Transfer übertragen werden könnten", fügte Cleland hinzu.

'We are now working on a number of different aspects of this experiment; for instance, we plan on increasing the number of nodes (which were two in our recent experiment), increasing the fidelity of the process, and exploring what is possible if we have more communication channels in parallel.'

Journal information: Nature , Physical Review Letters , Nature Physics , arXiv

© 2024 Science X Network