オーストリアのインスブルック大学とフランスのパリサクレー大学の物理学者は、長距離量子ネットワークの主要な機能をすべて単一のシステムに初めて統合しました。 原理実証実験では、彼らはこのシステムを使用して、いわゆるリピーターノードを介して50キロメートルの距離にわたって量子情報を転送しました。これは、実用的な大規模量子ネットワークの構成要素が間もなく完成する可能性があることを示すのに十分な距離です。届く範囲で。
量子ネットワークには XNUMX つの基本コンポーネントがあります。XNUMX つはノードとして知られる量子システム自体、もう XNUMX つはそれらの間の信頼できる XNUMX つ以上の接続です。 このようなネットワークは、複数の量子コンピューターの量子ビット (または量子ビット) を接続して、複雑な量子計算の「負荷を共有」することで機能します。 超安全な量子通信にも使用できる可能性があります。
しかし、量子ネットワークを構築するのは簡単な作業ではありません。 このようなネットワークは、多くの場合、絡み合った単一光子を送信することによって機能します。 つまり、その量子状態は別の量子粒子の状態と密接に関係しています。 残念ながら、単一の光子からの信号は長距離では簡単に失われます。 量子情報の搬送波は、デコヒーレンスとして知られるプロセスで量子の性質を失うこともあります。 したがって、これらの信号をブーストすることが不可欠です。
ためらいや逸脱のない繰り返し
量子中継器はこのブーストを提供できますが、それは単純な方法ではありません。 量子力学の規則によりもつれ状態のコピーが制限されるため、中継器は受信した信号を単純にコピーして次のノードに渡すことはできません。 代わりに、情報をいわゆる量子メモリに保存し、ベル状態測定 (BSM) として知られるプロセスを使用して転送する必要があります。
完全に機能する量子中継器は、特定の実用的な要件にも準拠する必要があります。 まず、量子信号は、あまり損失なく光ファイバーを介して伝送できるように、電気通信で使用される波長である必要があります。 第二に、量子メモリの保存時間はエンタングルメントの生成に必要な時間を超える必要があります。 最後に、プロセスの各ステップは決定的である必要があります。これは、成功した各ステップの後に信号を生成する必要があることを意味します。
1のすべての
で説明されている最新の作品 Physical Review Lettersに, 1550 つの実際的な要件をすべて 25 つの実験で組み合わせます。 最初の一連のイベントでは、トラップされた 50 つのカルシウム イオンがそれぞれ光子を放出し、絡み合った XNUMX つの光子イオン対を形成します。 ここで、トラップされたイオンは量子ビットとして機能し、その量子状態は量子ネットワーク上に分散されます。 これらのペアの光子は、XNUMX nm の通信波長に変換され、長さ XNUMX km の別々の光ファイバーを介して XNUMX つの異なるノードに送信されます。 したがって、ノード間の総距離は XNUMX km になります。
光子の XNUMX つが指定されたノードに到達するたびに、そのもつれているイオンの状態がイオンの保護されたメモリ状態に保存されます。 次に、システムは、(XNUMX 番目のイオンと絡み合った) XNUMX 番目の光子を他のノードに送信する試みを繰り返します。 両方のノードで光子が検出されると、実験者は BSM を実行してイオン状態をそれぞれのもつれ光子に転送します。
このプロトコルをテストするために、研究者らはそれを 44 分間にわたって 720 33 回繰り返し、リモート ノード間で光子をもつれさせる 2053 2 229 回の試みで 883 回の成功を記録しました。 高い成功率のようには聞こえないかもしれませんが、イオンメモリの存在により、エンタングルメントが確立される可能性は 128 倍高くなります。 これは、両方の検出器が両方の光子を正常に検出し、イオンの記憶状態におけるデコヒーレンスによってのみ制限される限界まで、さらなる改善が可能である可能性があることを示しています。
ネットワークをさらに拡張する
研究者らはまた、自分たちの手法をどこまで推し進められるかをモデル化した。 さまざまな要因をすべて考慮して、17 個のイオンベースの中継ノードのネットワークが 800 キロメートル離れたイオン間のもつれを確立できることを示しました。 主任研究員によると ベン・ラニヨン インスブルック大学の研究チームのメンバーは現在、研究室にあるファイバーをほどき、もつれをキャンパス外に既存の商用光ファイバーネットワークに送ることを計画している。 「私たちのビジョンは、研究室から出て、都市と国の間で物質と光の量子ネットワークを構築し始めることです」と彼は語ります。 物理学の世界.
新しい量子リピーターは、スケーラブルな量子インターネットを可能にする可能性があります
ロナルド・ハンソンこの研究には関与していないオランダのQuTechの物理学者は、この結果は量子中継器に必要ないくつかの要素を組み合わせているため重要であると説明している。 特に同氏は、この実験では、ノード内のマルチ量子ビット動作、効率的な量子ビットと光子のインターフェース、および通信互換性が実証されており、各要素が高い忠実度で動作して良好な全体的なパフォーマンス、つまり最も関連性の高い指標が得られることを指摘しています。 量子インターネットが完全に機能するのはまだ先のことだが、ハンソン氏はこの実証がトラップされたイオンに基づく機能的な量子中継器への一歩であると信じている。
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