Test eines Prototyps des Quanteninternets läuft unter New York City für einen halben Monat

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von David Appell, Phys.org

Um Quantennetzwerke auf den Markt zu bringen, müssen Ingenieure die Fragilität von verschränkten Zuständen in einem Glasfaserkabel überwinden und die Effizienz der Signalübertragung gewährleisten. Wissenschaftler bei Qunnect Inc. in Brooklyn, New York, haben nun einen großen Schritt nach vorne gemacht, indem sie ein solches Netzwerk unter den Straßen von New York City betrieben haben.

Während andere zuvor verschränkte Photonen übertragen haben, gab es zu viel Rauschen und Polarisationsdrift in der Faserumgebung, sodass die Verschränkung nicht überleben konnte, insbesondere in einem langfristig stabilen Netzwerk.

'Hier kommt unsere Arbeit ins Spiel', sagte Mehdi Namazi, Mitbegründer und Chef-Wissenschaftsoffizier bei Qunnect. Das Netzwerkdesign, die Methoden und Ergebnisse des Teams wurden in PRX Quantum veröffentlicht.

Für ihr Prototyp-Netzwerk verwendeten die Qunnect-Forscher einen gemieteten 34 Kilometer langen Glasfaserkreis, den sie den GothamQ-Loop nannten. Mit polarisationsverschränkten Photonen betrieben sie den Loop 15 Tage lang kontinuierlich und erreichten eine Betriebszeit von 99,84% und eine Kompensationsgenauigkeit von 99% für verschränkte Photonpaare, die mit einer Rate von etwa 20.000 pro Sekunde übertragen wurden. Bei einer halben Million verschränkten Photonpaaren pro Sekunde lag die Genauigkeit immer noch bei fast 90%.

Die Polarisation eines Photons ist die Richtung seines elektrischen Feldes. (Dies ist möglicherweise einfacher im Wellenbild des Lichts zu verstehen.) Sie sind vielleicht mit dem Phänomen von polarisierten Sonnenbrillen vertraut, die Filter sind, die Licht aus einer Polarisationsebene durchlassen, andere jedoch blockieren, um beispielsweise Blendungen von Wasser, Schnee und Glas zu reduzieren.

Polarisierte Photonen sind nützlich, da sie leicht zu erzeugen, einfach zu manipulieren (mit polarisierten Filtern) und zu messen sind.

Polarisationsverschränkte Photonen wurden in den letzten Jahren verwendet, um groß angelegte Quantenrepeater, verteilte Quantencomputing- und verteilte Quanten-Sensornetzwerke aufzubauen.

Quantenverschränkung, das Thema des Nobelpreises für Physik 2022, ist das eigentümliche Quantenphänomen, bei dem Teilchen in einem Quantenzustand eine Verbindung haben, manchmal eine weit entfernte, sodass die Messung der Eigenschaft eines Teilchens automatisch die Eigenschaften der anderen bestimmt, mit denen es verschränkt ist.

In ihrem Design ist ein infrarotes Photon mit einer Wellenlänge von 1.324 Nanometern mit einem nahinfraroten Photon von 795 nm verschränkt. Das letztere Photon ist in Wellenlänge und Bandbreite mit den Rubidium-Atomsystemen kompatibel, die beispielsweise in Quantenspeichern und Quantenprozessoren verwendet werden. Es stellte sich heraus, dass der Polarisationsdrift sowohl wellenlängen- als auch zeitabhängig war, sodass Qunnect Geräte für die aktive Kompensation bei denselben Wellenlängen entwerfen und bauen musste.

Um diese verschränkten zweifarbenen Photonpaare zu erzeugen, wurden gekoppelte Eingangsstrahlen bestimmter Wellenlängen durch eine Dampfzelle geschickt, die mit Rubidium-78 angereichert war, wo sie die Rubidiumatome in der Zelle anregten, wodurch ein Außenelektron zweimal eine Transition durchlief, einmal von einem 5p-Orbital zu einem 6s-Orbital.

Von diesem doppelt angeregten Zustand wurde gelegentlich ein 1.324 nm Photon emittiert, und ein nachfolgender Elektronenzerfall produzierte ein weiteres Photon von 795 nm.

Sie schickten 1.324 nm polarisationsverschränkte Photonpaare in Quantensuperpositionen durch die Faser, einen Zustand mit beiden Polarisationen horizontal und einen anderen mit beiden vertikal - eine Zwei-Qubit-Konfiguration, die allgemein als Bell-Zustand bekannt ist. In solch einer Superposition sind die quantenmechanischen Photonpaare gleichzeitig in beiden Zuständen.

Jedoch sind solche Photonensysteme in optischen Kabeln anfälliger für Störungen ihrer Polarisation durch Vibrationen, Biegungen und Schwankungen im Druck und in der Temperatur im Kabel, und können häufige Neukalibrierungen erfordern. Da diese Arten von Störungen fast unmöglich zu erkennen, zu isolieren, geschweige denn zu mildern sind, hat das Qunnect-Team automatisierte Polarisationskompensations (APC)-Geräte entwickelt, um sie elektronisch zu kompensieren.

Indem sie klassische, nicht verschränkte Photonpaare von 1.324 nm mit bekannten Polarisationen durch die Faser sendeten, konnten sie messen, wie sehr sich ihre Polarisation veränderte oder modifizierte. Der Polarisationsdrift wurde an vier Übertragungsentfernungen gemessen: null, 34, 69 und 102 km, indem die klassischen Photonen null, eins, zwei oder dreimal um die Metroschleife unter den Straßen von Brooklyn und Queens herum geschickt wurden. Anschließend verwendeten sie die APCs, um die Polarisation der verschränkten Paare zu korrigieren.

Die GothamQ-Schleifendemonstration von Qunnect war besonders bemerkenswert aufgrund ihrer Dauer, der praktisch "hände-frei"-Betriebszeit und ihrer Betriebszeit. Sie zeigte, schrieben sie, "Fortschritte auf dem Weg zu einem vollständig automatisierten praktischen Verschränkungsnetzwerk", das für ein Quanteninternet erforderlich wäre. Namazi sagte, dass "seit wir diese Arbeit abgeschlossen haben, haben wir bereits alle Teile auf Rack montiert, so dass sie überall verwendet werden können" – kombinierte Ausrüstung, die sie Qu-Val nennen.

Weitere Informationen: Alexander N. Craddock et al, Automatisierte Verteilung von Polarisations-verschränkten Photonen unter Verwendung der in New York City verlegten Kabel, PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030330

Journal Informationen: PRX Quantum

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