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Ein Quantenkommunikationsschalter
Das Internet besteht aus Photonen, die durch Glasfaserkabel fließen und durch Geräte wie Schalter, Modulatoren und Verstärker fließen. Aber diese Standardgeräte wären für superschnelles Quantencomputing oder -kommunikation unzureichend – experimentelle Ansätze, die die besonderen Eigenschaften von Teilchen auf der Quantenskala ausnutzen, um komplexe Berechnungen unglaublich schnell durchzuführen oder zu verhindern, dass jemand Nachrichten abhört.
Schalten Sie um: Die hier gezeigten Komponenten können verschränkte Photonen umleiten.
Kommerzielle Schalter weisen verschiedene Probleme auf, die sie zum Umleiten verschränkter Photonen ungeeignet machen. Diejenigen, die aus mikroelektromechanischen Komponenten bestehen, halten verschränkte Zustände intakt, arbeiten aber zu langsam. Andere optoelektronische Schalter fügen entweder zu viel Rauschen hinzu, sodass einzelne Photonen schwer zu erkennen sind, oder sie zerstören die Quanteninformation vollständig.
Prem Kumar , Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Northwestern University, hat einen Quanten-Routing-Schalter entwickelt, der verschränkte Photonen entlang verschiedener Pfade transportieren kann, während die Quanteninformation intakt bleibt.
Das Gerät könnte besonders für Quantencomputer nützlich sein, sagt James Franson , Professor für Physik an der University of Maryland, Baltimore County. Um einen Quantencomputer mit Photonen zu bauen, brauchen wir die Fähigkeit, [verschränkte] Photonen umzuschalten, sagt Franson. Ein Quantenschalter könnte es auch eines Tages ermöglichen, verschränkte Photonen von verschiedenen Quantencomputern über weite Distanzen zu teilen – wie Cloud Computing, aber mit Quanteninformationen.
Kumar sagt, der Schalter werde auch ultrasichere Quantennetzwerke Realität werden lassen. Heutige Informationen werden normalerweise mit der sogenannten Public-Key-Verschlüsselung gesichert, die auf der praktischen Unmöglichkeit beruht, bestimmte mathematische Aufgaben wie das Faktorisieren extrem großer Zahlen durchzuführen. Quantennetzwerke würden eine noch sicherere Alternative zur Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln bieten. Die Kommunikation mit verschränkten Photonen sorgt für Sicherheit, denn jeder Versuch, eine Nachricht abzufangen, würde den Quantenzustand der Teilchen stören.
Um den neuen Quantenschalter zu bauen, verwendeten die Forscher kommerzielle Glasfaserkabel und andere optische Standardkomponenten, sagt Kumar. Mein Ziel ist es, Dinge im Quanteninformationsraum zu tun, die sehr gut mit bestehenden Glasfaserinfrastrukturen kompatibel sind, sagt er.
Der erste Schritt besteht darin, die Photonen vorzubereiten. Verschränkte Photonen haben Eigenschaften wie Polarisation, die grundsätzlich miteinander verbunden sind. Verschränken sich zwei Photonen, so zeigt die gemessene Polarisation des einen den entsprechenden Zustand des anderen. Die Forscher verwendeten eine Technik, bei der sie mehrere Lichtwellenlängen in einer Standardfaser miteinander vermischten, um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen.
Der nächste Schritt besteht darin, ein Photon über die Glasfaser zum Schalter zu senden, was den Kurs des Photons ändert. Der Schalter der Forscher besteht nur aus optischen Komponenten, darunter eine Spule mit 100 Metern Glasfaser, die in einer Schleife angeordnet ist. Ein Photon eines verschränkten Paares wird durch ein Ende der Schleife und durch einen Multiplexer geschickt, während ein leistungsstarker Laser Lichtimpulse in die Spule sendet. Das Photon wird so verschoben, dass es sich am anderen Ende der Schleife auf einem separaten Weg abtrennt, während es mit seinem Partner verschränkt bleibt.
Das Endergebnis ist ein Schalter, der sehr schnell ist, ein geringes Hintergrundrauschen aufweist und vor allem die Quanteninformationen beibehält. Einzelphotonendetektoren am Ende der Fasern bestätigen, dass beide Photonen ihren verschränkten Zustand beibehielten, was zeigt, dass die Quanteninformation erhalten blieb. Die Arbeit wird in einer aktuellen Ausgabe der Zeitschrift beschrieben Physische Überprüfungsschreiben .
Dies ist eine wichtige Entwicklung, denn das Umschalten von Photonen ist wirklich der Hauptunterschied, um weitere Fortschritte im Quantencomputing mit Photonen zu erzielen, sagt Franson.