Test van een prototype quantum internet loopt onder New York City voor een half maand

24 augustus 2024

Kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• gefactcheckt
• gepeerreviewde publicatie
• betrouwbare bron
• nagelezen

door David Appell, Phys.org

Om quantumnetwerken op de markt te brengen, moeten ingenieurs de kwetsbaarheid van verstrengelde toestanden in een vezelkabel overwinnen en zorgen voor de efficiëntie van signaaloverdracht. Nu hebben wetenschappers bij Qunnect Inc. in Brooklyn, New York, een grote stap voorwaarts gezet door zo'n netwerk onder de straten van New York City te laten werken.

Hoewel anderen eerder verstrengelde fotonen hebben verzonden, was er te veel ruis en polarisatiedrift in de vezelomgeving waardoor verstrengeling niet kon overleven, met name in een langdurig stabiel netwerk.

'Hier komt ons werk om de hoek kijken,' aldus Mehdi Namazi, medeoprichter en hoofd wetenschap bij Qunnect. Het netwerkontwerp, de methoden en resultaten van het team zijn gepubliceerd in PRX Quantum.

Voor hun prototype netwerk gebruikten de onderzoekers van Qunnect een gehuurde 34 kilometer lange vezelschakeling die ze de GothamQ-loop noemden. Met behulp van polarisatie-verstrengelde fotonen bedienden ze de lus gedurende 15 opeenvolgende dagen, met een uptime van 99,84% en een compensatiegetrouwheid van 99% voor verstrengelde fotonparen die worden verzonden met een snelheid van ongeveer 20.000 per seconde. Bij een half miljoen verstrengelde fotonparen per seconde was de betrouwbaarheid nog steeds bijna 90%.

De polarisatie van een foton is de richting van zijn elektrisch veld. (Dit is wellicht gemakkelijker te begrijpen in het golfbeeld van licht.) Je bent misschien bekend met het fenomeen van gepolariseerde zonnebrillen, die filters zijn die licht van één polarisatierichting doorlaten maar andere blokkeren, waardoor schittering die wordt weerkaatst op water, sneeuw en glas wordt verminderd.

Gepolariseerde fotonen zijn handig omdat ze eenvoudig te creëren zijn, eenvoudig te manipuleren (met gepolariseerde filters) en te meten.

Polarisatie-verstrengelde fotonen worden de laatste jaren gebruikt om grootschalige quantum-repeaters, gedistribueerde quantumcomputing en gedistribueerde quantum-sensorische netwerken te bouwen.

Quantumverstrengeling, het onderwerp van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2022, is het eigenaardige quantumfenomeen waarbij deeltjes binnen een quantumtoestand een verbinding hebben, soms een lange-afstandsverbinding, zodat het meten van de eigenschap van de ene automatisch de eigenschappen van anderen bepaalt waarmee ze zijn verstrengeld.

In hun ontwerp is een infraroodfoton van een golflengte van 1.324 nanometer verstrengeld met een nabij-infraroodfoton van 795 nm. De laatste foton is compatibel in golflengte en bandbreedte met de rubidium atomaire systemen, zoals die worden gebruikt in quantum-geheugens en quantum-processoren. Het werd ontdekt dat polarisatiedrift zowel afhankelijk was van golflengte als tijd, waardoor Qunnect apparatuur moest ontwerpen en bouwen voor actieve compensatie op dezelfde golflengten.

Om deze verstrengelde dubbelgekleurde fotonparen te genereren, werden gekoppelde invoerstralen van bepaalde golflengten door een verrijkte dampcel gestuurd met rubidium-78, waar ze de rubidiumatomen binnenin de cel exciteerden, waardoor een buitenste elektron tweemaal overging, door een 5p orbitaal naar een 6s orbitaal.

Vanuit deze dubbel geëxciteerde toestand werd soms een foton van 1.324 nm uitgezonden, en een daaropvolgende elektronendecay produceerde een ander foton van 795 nm.

Ze stuurden 1.324 nm polarisatie-verstrengelde fotonparen in kwantumsuperposities door de vezel, waarbij één toestand beide polarisaties horizontaal had en de andere verticaal - een tweekwbitconfiguratie die meer algemeen bekend staat als een Bell-toestand. In zo'n superpositie zijn de kwantummechanische fotonparen tegelijkertijd in beide toestanden.

In optische kabels zijn dergelijke fotonensystemen echter vatbaarder voor verstoringen van hun polarisatie door trillingen, buiging en schommelingen in druk en temperatuur in de kabel en kunnen ze frequente herijkingen vereisen. Omdat dit soort verstoringen vrijwel onmogelijk te detecteren, isoleren en te verminderen kunnen zijn, bouwde het team van Qunnect geautomatiseerde polarisatiecompensatie-toestellen om deze elektronisch te compenseren.

Door klassieke, niet verstrengelde, fotonparen van 1.324 nm met bekende polarisaties door de vezel te sturen, konden ze meten hoeveel hun polarisatie afweek of werd gewijzigd. Polarisatiedrift werd gemeten op vier transmissie-afstanden: nul, 34, 69 en 102 km, door de klassieke fotonen nul, een, twee of drie keer rond de metropolitaanse lus onder de straten van Brooklyn en Queens te sturen. Vervolgens gebruikten ze de APC's om de polarisatie van de verstrengelde paren te corrigeren.

De GothamQ-lusdemonstratie van Qunnect was vooral opmerkelijk vanwege de duur, de hands-off aard van de bedrijfstijd en het uptime percentage. Het toonde, schreven ze, 'voortgang naar een volledig geautomatiseerd praktisch verstrengelingsnetwerk' dat nodig zou zijn voor een kwantuminternet. Namazi zei dat 'sinds we dit werk hebben afgerond, we alle onderdelen al in rack gemonteerd hebben, zodat ze overal gebruikt kunnen worden'—gecombineerde apparatuur die ze Qu-Val noemen.

Meer informatie: Alexander N. Craddock et al, Geautomatiseerde distributie van polarisatie-verstrengelde fotonen met behulp van geïmplementeerde vezels in New York City, PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030330

Journal informatie: PRX Quantum

© 2024 Science X Network