Vliegende Qudits: Deur Openen naar Nieuwe Dimensies van Kwantumcommunicatie

Figuur 1. Het signaalfoton, gemanipuleerd door het geïntegreerde fotonische circuit, creëert een 4D qudit vertegenwoordigd door de set oranje bollen. Ondertussen fungeert het idlerfoton, weergegeven door de blauwe bol, als een afstandsbediening voor het signaalfoton. Krediet: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge, en Liang Feng, bewerkt

Onderzoekers hebben een baanbrekende methode ontwikkeld voor de overdracht van quantuminformatie met behulp van lichtdeeltjes genaamd qudits, die ruimtelijke modus en polarisatie-eigenschappen benutten om snellere, veiligere gegevensoverdracht en verhoogde weerstand tegen fouten mogelijk te maken.

Deze technologie kan de mogelijkheden van een quantuminternet aanzienlijk verbeteren, wat zorgt voor veilige communicatie over lange afstanden en leidt tot de ontwikkeling van krachtige quantumcomputers en onbreekbare versleuteling.

Wetenschappers hebben een significante doorbraak gemaakt in het creëren van een nieuwe methode voor het verzenden van quantuminformatie met behulp van lichtdeeltjes genaamd qudits. Deze qudits beloven een toekomstig quantuminternet dat zowel veilig als krachtig is.

Traditioneel wordt quantuminformatie gecodeerd op qubits, die in een staat van 0, 1 of beide tegelijk (superpositie) kunnen bestaan. Deze eigenschap maakt ze ideaal voor complexe berekeningen, maar beperkt de hoeveelheid data die ze kunnen overbrengen bij communicatie. Daarentegen kunnen qudits informatie in hogere dimensies coderen en meer gegevens in één keer verzenden.

Qubits en qudits zijn beide eenheden van quantuminformatie, maar ze verschillen hoofdzakelijk in hun capaciteit om informatie vast te houden. Een qubit, de basiseenheid die in quantumcomputing wordt gebruikt, kan dankzij quantum superpositie gelijktijdig in twee toestanden bestaan, meestal weergegeven als 0 en 1, zoals de bits in klassieke computing. Dit stelt het in staat om complexe berekeningen efficiënter uit te voeren dan klassieke bits.

Qudits daarentegen zijn een veralgemening van qubits en kunnen tegelijkertijd in d toestanden bestaan, waarbij d > 2. Deze hogere dimensie stelt qudits in staat meer informatie vast te houden dan qubits, wat mogelijk leidt tot efficiëntere gegevensverwerking en communicatie in quantumsystemen, aangezien ze bewerkingen kunnen uitvoeren die meerdere qubits zouden vereisen met minder qudits, waardoor efficiëntie toeneemt en complexiteit in quantumalgoritmes afneemt.

De nieuwe techniek benut twee eigenschappen van licht – ruimtelijke modus en polarisatie – om vierdimensionale qudits te creëren. Deze qudits worden gebouwd op een speciale chip die nauwkeurige manipulatie mogelijk maakt. Deze manipulatie vertaalt zich in snellere dataoverdrachtssnelheden en verhoogde weerstand tegen fouten vergeleken met conventionele methoden.

Een van de belangrijkste voordelen van deze benadering is het vermogen van de qudits om hun quantumeigenschappen over lange afstanden te behouden. Dit maakt ze perfect voor toepassingen zoals op satellieten gebaseerde quantumcommunicatie, waar data enorme afstanden moet afleggen zonder aan integriteit in te boeten.

Figuur 2. (a) De experimenteel verkregen (bovenste rij) en theoretisch voorspelde (onderste rij) dichtheidsmatrices van twee geselecteerde quantumtoestanden. (b) Theoretisch (linkerpaneel) en experimenteel verkregen (rechterpaneel) detectiekansmatrix. Krediet: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge, en Liang Feng

Het proces begint met het genereren van een speciale verstrengelde staat met behulp van twee fotonen. Verstrengeling is een fenomeen waarbij twee deeltjes met elkaar verbonden raken en hetzelfde lot delen, ongeacht fysieke scheiding. In dit geval wordt één foton (het signaalfoton) gemanipuleerd op de chip om een 4D qudit te creëren met behulp van zijn ruimtelijke modus en polarisatie. Het andere foton (het idlerfoton) blijft onveranderd en fungeert als een afstandsbediening voor het signaalfoton (Fig. 1).

Door het idlerfoton te manipuleren, kunnen wetenschappers de toestand van het signaalfoton controleren en er informatie op coderen (Fig. 2).

Deze nieuwe methode heeft het potentieel om het veld van quantumcommunicatie te revolutioneren. Het effent de weg voor een hogesnelheids quantuminternet dat enorme hoeveelheden gegevens veilig over lange afstanden kan verzenden. Daarnaast kan het leiden tot de ontwikkeling van onbreekbare encryptieprotocollen en bijdragen aan de creatie van krachtige quantumcomputers die problemen kunnen aanpakken die buiten het bereik van klassieke computers liggen.

De onderzoekers concentreren zich momenteel op het verbeteren van de nauwkeurigheid van de qudits en het opschalen van de technologie om nog hogere dimensies aan te kunnen. Ze geloven dat deze benadering het potentieel heeft om quantumcommunicatie te revolutioneren.