Test av en prototyp kvantuminternet körs under New York City i en månad

24 augusti 2024 inslag

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av David Appell, Phys.org

För att introducera kvantnätverk på marknaden måste ingenjörer övervinna bräckligheten hos intrasslade tillstånd i en fiberkabel och säkerställa effektiviteten i signalleveransen. Nu har forskare vid Qunnect Inc. i Brooklyn, New York, tagit ett stort steg framåt genom att driva just ett sådant nätverk under New Yorks gator.

Medan andra har sänt intrasslade fotoner tidigare, har det varit för mycket brus och polarisationsdrift i fibermiljön för att intrassling ska överleva, särskilt i ett långsiktigt stabilt nätverk.

"Det är här vårt arbete kommer in i bilden," sa Mehdi Namazi, medgrundare och chief science officer på Qunnect. Teamets nätverksdesign, metoder och resultat publiceras i PRX Quantum.

För sitt prototypnätverk använde Qunnect-forskarna en hyrd 34 kilometer lång fiberkrets som de kallade GothamQ-slingan. Med hjälp av polarisationsintrasslade fotoner körde de slingan i 15 sammanhängande dagar, och uppnådde en upptid på 99,84 % och en kompensationstrohet på 99 % för intrasslade fotonpar som sänds med en hastighet av cirka 20 000 per sekund. Vid en halv miljon intrasslade fotonpar per sekund var troheten fortfarande nästan 90 %.

Polariseringen av en foton är riktningen för dess elektriska fält. (Detta kan vara lättare att förstå i vågbilden av ljus.) Du är kanske bekant med fenomenet från polariserade solglasögon, som är filter som släpper igenom ljus från en polariseringsriktning men blockerar andra, och på så sätt minskar bländningen som reflekteras från vattnet , snö och glas, till exempel.

Polariserade fotoner är användbara eftersom de är lätta att skapa, enkla att manipulera (med polariserade filter) och att mäta.

Polarisationsintrasslade fotoner har använts under de senaste åren för att bygga storskaliga kvantrepeterare, distribuerad kvantberäkning och distribuerade kvantavkänningsnätverk.

Kvantintrassling, ämnet för 2022 års Nobelpris i fysik, är det märkliga kvantfenomenet där partiklar inom ett kvanttillstånd har en koppling, ibland en långdistans sådan, att mätning av en egendom automatiskt bestämmer andras egenskaper med vilka den är intrasslad.

I deras design är en infraröd foton med en våglängd på 1 324 nanometer intrasslad med en nära-infraröd foton på 795 nm. Den senare fotonen är kompatibel i våglängd och bandbredd med rubidium-atomsystemen, såsom de används i kvantminnen och kvantprocessorer. Det visade sig att polarisationsdrift var både våglängds- och tidsberoende, vilket krävde att Qunnect designade och byggde utrustning för aktiv kompensation vid samma våglängder.

För att generera dessa intrasslade tvåfärgade fotonpar sändes kopplade ingångsstrålar av vissa våglängder genom en ångcell berikad med rubidium-78, där de exciterade rubidiumatomerna i cellen, vilket fick en yttre elektron att övergå två gånger, genom en 5p orbital till en 6s orbital.

Från detta dubbelt exciterade tillstånd emitterades ibland en 1 324 nm foton, och ett efterföljande elektronsönderfall producerade ytterligare en foton på 795 nm.

De skickade 1 324 nm polarisationsintrasslade fotonpar i kvantöverlagringar genom fibern, ett tillstånd med båda polarisationerna horisontella och det andra med båda vertikala - en två-qubit-konfiguration mer allmänt känd som ett Bell-tillstånd. I en sådan superposition är de kvantmekaniska fotonparen i båda tillstånden samtidigt.

Men i optiska kablar är sådana fotonsystem mer benägna att störa sin polarisation genom vibrationer, böjning och fluktuationer i tryck och temperatur i kabeln och kan kräva frekventa omkalibreringar. Eftersom dessa typer av störningar kan vara nästan omöjliga att upptäcka och isolera, än mindre mildra, byggde Qunnect-teamet automatiserade polarisationskompensationsenheter (APC) för att elektroniskt kompensera för dem.

Genom att skicka klassiska, inte intrasslade, fotonpar på 1 324 nm med kända polarisationer ner i fibern, kunde de mäta hur mycket deras polarisation drev eller modifierades. Polarisationsdrift mättes vid fyra överföringsavstånd: noll, 34, 69 och 102 km, genom att skicka de klassiska fotonerna noll, en, två eller tre gånger runt storstadsslingan under gatorna i Brooklyn och Queens. De använde sedan APC:erna för att korrigera polariseringen av de intrasslade paren.

Qunnects GothamQ-loopdemonstration var särskilt anmärkningsvärd för dess varaktighet, hand-off-karaktären av operationstiden och dess upptidsprocent. Det visade, skrev de, "framsteg mot ett helt automatiserat praktiskt intrasslingsnätverk" som skulle krävas för ett kvantinternet.