Verstrengelde ionen vestigen een langeafstandsrecord - Physics World

Het gebruik van licht en optische vezels om informatie van punt A naar B te sturen is tegenwoordig een standaardpraktijk, maar wat als we de stappen van "verzenden en dragen" helemaal zouden kunnen overslaan en informatie gewoon ogenblikkelijk zouden kunnen lezen? Dankzij kwantumverstrengeling is dit idee niet langer een fictief werk, maar een onderwerp van voortdurend onderzoek. Door twee kwantumdeeltjes, zoals ionen, met elkaar te verstrengelen, kunnen wetenschappers ze in een fragiele verbinding brengen, waarbij het meten van het ene deeltje informatie geeft over het andere op een manier die klassiek onmogelijk zou zijn.

Onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck, Oostenrijk, hebben dit lastige verstrengelingsproces nu uitgevoerd op twee calciumionen die gevangen zitten in optische holtes die 230 m van elkaar verwijderd zijn - gelijk aan ongeveer twee voetbalvelden - en verbonden via een 520 m lange optische vezel. Deze scheiding is een record voor ingesloten ionen en vormt een mijlpaal in kwantumcommunicatie- en rekensystemen op basis van deze kwantumdeeltjes.

Op weg naar een kwantumnetwerk

Kwantumnetwerken vormen de ruggengraat van kwantumcommunicatiesystemen. Een van hun voordelen is dat ze de wereld konden verbinden met ongekende rekenkracht en beveiliging, terwijl ze tegelijkertijd nauwkeurige waarneming en tijdmeting verbeterden voor toepassingen variërend van metrologie tot navigatie. Dergelijke kwantumnetwerken zouden bestaan ​​uit kwantumcomputers – de knooppunten – die met elkaar verbonden zijn door de uitwisseling van fotonen. Deze uitwisseling kan plaatsvinden in de vrije ruimte, vergelijkbaar met hoe licht door de ruimte reist van de zon naar onze ogen. Als alternatief kunnen de fotonen worden verzonden via optische vezels, vergelijkbaar met de vezels die worden gebruikt om gegevens voor internet-, televisie- en telefoondiensten te verzenden.

Kwantumcomputers op basis van ingesloten ionen bieden om twee redenen een veelbelovend platform voor kwantumnetwerken en kwantumcommunicatie. Een daarvan is dat hun kwantumtoestanden relatief eenvoudig te beheersen zijn. De andere is dat deze toestanden robuust zijn tegen externe verstoringen die de informatie tussen en bij de knooppunten kunnen verstoren.

Gevangen calciumionen

In het laatste werk, onderzoeksteams onder leiding van Tracy Northup en Ben Lanjon in Innsbruck gevangen calciumionen in Paul-vallen - een elektrische veldconfiguratie die een kracht op het ion uitoefent, waardoor het in het midden van de val wordt opgesloten. Calciumionen zijn aantrekkelijk omdat ze een eenvoudige elektronische structuur hebben en robuust zijn tegen ruis. “Ze zijn compatibel met technologie die nodig is voor kwantumnetwerken; en ze zijn ook gemakkelijk in te sluiten en af ​​te koelen, dus geschikt voor schaalbare kwantumnetwerken”, legt uit Maria Galli, een promovendus in Innsbruck die betrokken was bij het werk, dat wordt beschreven in Physical Review Letters.

De onderzoekers begonnen met het plaatsen van een enkel gevangen ion in elk van de twee afzonderlijke optische holtes. Deze holtes zijn ruimtes tussen paren spiegels die nauwkeurige controle en afstemming mogelijk maken van de frequentie van het licht dat ertussen weerkaatst (zie afbeelding hierboven). Deze strakke controle is cruciaal voor het koppelen of verstrengelen van de informatie van het ion met die van het foton.

Na het verstrengelen van het ionen-fotonsysteem bij elk van de twee holtes - de knooppunten van het netwerk - voerden de onderzoekers een meting uit om het verstrengelde systeem te karakteriseren. Terwijl de meting de verstrengeling vernietigt, moesten de onderzoekers dit proces meerdere keren herhalen om deze stap te optimaliseren. De fotonen, elk verstrengeld met een van de calciumionen, worden vervolgens overgedragen via de optische vezel die de twee knooppunten verbindt, die zich in afzonderlijke gebouwen bevinden.

Informatie uitwisselen

Hoewel de onderzoekers de fotonen in de vrije ruimte hadden kunnen overbrengen, zou dit het risico hebben gelopen de ion-foton-verstrengeling te verstoren vanwege verschillende ruisbronnen. Optische vezels zijn daarentegen weinig verlies, en ze schermen ook de fotonen af ​​en behouden hun polarisatie, waardoor een langere scheiding tussen de knooppunten mogelijk is. Ze zijn echter niet ideaal. “We hebben wel wat afwijkingen in de polarisatie waargenomen. Om deze reden karakteriseerden we elke 20 minuten de polarisatierotatie van de vezel en corrigeerden we deze.” zegt Galli.

De twee fotonen wisselen de informatie van hun respectieve ion-foton-systemen uit via een proces dat bekend staat als een foton Bell-state meting (PBSM). Bij deze toestandsselectieve detectietechniek overlappen de golffuncties van de fotonen elkaar, waardoor een interferentiepatroon ontstaat dat kan worden gemeten met vier fotodetectoren.

Door de gemeten signalen op de fotodetectoren af ​​te lezen, kunnen de onderzoekers zien of de informatie die door de fotonen wordt gedragen – hun polarisatietoestand – identiek is of niet. Overeenkomende paren uitkomsten (hetzij horizontale of verticale polarisatietoestanden) kondigen bijgevolg het ontstaan ​​van verstrengeling tussen de verre ionen aan.

Afwegingen voor succesvolle verstrengeling

De onderzoekers moesten verschillende factoren in evenwicht brengen om verstrengeling tussen de ionen te genereren. Een daarvan is het tijdvenster waarin ze de laatste gezamenlijke meting van de fotonen doen. Hoe langer dit tijdvenster is, hoe meer kans de onderzoekers hebben om fotonen te detecteren - maar de wisselwerking is dat de ionen minder verstrengeld zijn. Dit komt omdat ze ernaar streven fotonen te vangen die op hetzelfde moment arriveren, en een langer tijdvenster toestaan ​​kan ertoe leiden dat ze fotonen detecteren die daadwerkelijk op verschillende tijdstippen zijn aangekomen.

Quantumnetwerk met drie knooppunten maakt zijn debuut

De onderzoekers moesten daarom zorgvuldig controleren hoeveel verstrengeling ze wisten te bereiken voor een bepaald tijdvenster. Gedurende een tijdvenster van 1 microseconde herhaalden ze het experiment meer dan 13 miljoen keer, wat 555 detectiegebeurtenissen opleverde. Vervolgens maten ze onafhankelijk van elkaar de toestand van de ionen op elk knooppunt om de correlatie te controleren, die 88% was. "Onze laatste meetstap is in feite het meten van de toestand van beide ionen om te verifiëren dat de verwachte toestandscorrelatie aanwezig is", zegt Galli. "Dit bevestigt dat we erin geslaagd zijn om verstrengeling tussen de twee ionen te creëren."

Van een sprint tot een marathon

Twee voetbalvelden lijken misschien een grote afstand om een ​​precaire, kwantumverstrengelde toestand te creëren, maar het team van Innsbruck heeft grotere plannen. Door veranderingen aan te brengen, zoals het vergroten van de golflengte van fotonen die worden gebruikt om informatie tussen de ionen over te dragen, hopen de onderzoekers een veel grotere afstand van 50 km af te leggen - langer dan een marathon.

Terwijl andere onderzoeksgroepen eerder verstrengeling over nog langere afstanden hebben aangetoond met behulp van neutrale atomen, hebben op ionen gebaseerde platforms bepaalde voordelen. Galli merkt op dat de getrouwheid van kwantumpoorten uitgevoerd met gevangen ionen beter is dan die van kwantumpoorten uitgevoerd op atomen, voornamelijk omdat interacties tussen ionen sterker en stabieler zijn dan interacties tussen atomen en de coherentietijd van ionen veel langer is.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/