"Flying Qudits: Att låsa upp nya dimensioner av kvantkommunikation"

Figur 1. Signal fotonen, manipulerad av den integrerade fotoniska kretsen, skapar en 4D qudit representerad av uppsättningen av orange sfärer. Under tiden, fungerar idler fotonen, representerad av den blå sfären, som en fjärrkontroll för signal fotonen. Kredit: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge och Liang Feng, redigerad

Forskare har utvecklat en banbrytande metod för kvantinformationstransmission med hjälp av ljuspartiklar som kallas qudits, som utnyttjar rumsliga lägen och polarisationsegenskaper för att möjliggöra snabbare, säkrare dataöverföring och ökad motståndskraft mot fel.

Denna teknik kan kraftigt förbättra kapaciteten hos ett kvantinternet, vilket ger säkra långdistanskommunikationer och leder till utvecklingen av kraftfulla kvantdatorer och oförstörbar kryptering.

Forskare har gjort ett betydande genombrott i att skapa en ny metod för överföring av kvantinformation med hjälp av ljuspartiklar som kallas qudits. Dessa qudits lovar ett framtida kvantinternet som både är säkert och kraftfullt.

Traditionellt är kvantinformation kodad på qubits, som kan existera i ett tillstånd av 0, 1, eller både samtidigt (superposition). Denna egenskap gör dem idealiska för komplexa beräkningar men begränsar mängden data de kan bära i kommunikationen. Däremot kan qudits koda information i högre dimensioner, vilket innebär att mer data kan överföras på en gång.

Qubits och qudits är båda enheter av kvantinformation, men de skiljer sig främst i sin kapacitet att hålla information. En qubit, den grundläggande enheten som används i kvantdatorer, kan existera i två tillstånd samtidigt på grund av kvantsuperposition, vanligtvis representerad som 0 och 1, likt bitar i klassisk datoranvändning. Detta gör det möjligt för dem att utföra komplexa beräkningar mer effektivt än klassiska bitar.

Qudits, å andra sidan, är en generalisering av qubits och kan existera i d tillstånd samtidigt, där d > 2. Denna högre dimension möjliggör för qudits att hålla mer information än qubits, vilket potentiellt leder till mer effektiv databehandling och kommunikation i kvantsystem, eftersom de kan utföra operationer som skulle kräva flera qubits med färre qudits, vilket ökar effektiviteten och minskar komplexiteten i kvantalgoritmer.

Den nya tekniken utnyttjar två egenskaper hos ljus - rumsligt läge och polarisation - för att skapa fyrdimensionella qudits. Dessa qudits byggs på ett speciellt chip som tillåter exakt manipulering. Denna manipulation översätts till snabbare dataöverföringshastigheter och ökad motståndskraft mot fel jämfört med konventionella metoder.

En av de viktigaste fördelarna med detta tillvägagångssätt är qudits förmåga att bibehålla sina kvantegenskaper över långa avstånd. Detta gör dem perfekta för applikationer som satellitbaserad kvantkommunikation, där data behöver färdas stora avstånd utan att förlora sin integritet.

Figur 2. (a) De experimentellt återvunna (övre raden) och teoretiskt förutsagda (nedre raden) densitetsmatriserna för två utvalda kvanttillstånd. (b) Teoretiskt (vänster panel) och experimentellt återvunna (höger panel) detekteringsmatrisen. Kredit: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge och Liang Feng

Processen börjar med att generera ett speciellt sammanflätat tillstånd med hjälp av två fotoner. Sammanflätning är ett fenomen där två partiklar blir länkade, och delar samma öde oavsett fysisk separation. I detta fall manipuleras en foton (signal fotonen) på chippet för att skapa en 4D qudit med hjälp av dess rumsliga läge och polarisation. Den andra fotonen (idler fotonen) förblir oförändrad och fungerar som en fjärrkontroll för signalfotonen (Fig. 1).

Genom att manipulera idler fotonen kan forskare kontrollera tillståndet för signalfotonen och koda information på den (Fig. 2).

Denna nya metod har potentialen att revolutionera området kvantkommunikation. Den banar väg för ett höghastighets kvantinternet som kan överföra enorma mängder data säkert över långa avstånd. Dessutom kan det leda till utvecklingen av oförstörbara krypteringsprotokoll och bidra till skapandet av kraftfulla kvantdatorer som kan hantera problem bortom räckvidden för klassiska datorer.

Forskarna fokuserar för närvarande på att förbättra noggrannheten hos qudits och att skala upp tekniken för att hantera ännu högre dimensioner. De tror att detta tillvägagångssätt har potentialen att revolutionera kvantkommunikationen.