211service.com
En Quantum Communications Switch
Internet är gjort av fotoner som glider igenom fiberoptiska kablar och strömmar genom enheter som switchar, modulatorer och förstärkare. Men dessa standardenheter skulle vara otillräckliga för supersnabb kvantberäkning eller kommunikation - experimentella tillvägagångssätt som utnyttjar de speciella egenskaperna hos partiklar i kvantskala för att utföra komplexa beräkningar otroligt snabbt eller för att hindra någon från att avlyssna meddelanden.
Byt upp det: Komponenterna som visas här kan dirigera om intrasslade fotoner.
Kommersiella switchar har olika problem som gör dem olämpliga för omdirigering av intrasslade fotoner. De som är gjorda av mikroelektromekaniska komponenter behåller intrasslade tillstånd i takt, men fungerar för långsamt. Andra optoelektroniska switchar lägger antingen till för mycket brus så att enstaka fotoner är svåra att upptäcka, eller så förstör de kvantinformationen helt.
Prem Kumar , professor i elektroteknik och datavetenskap vid Northwestern University, har utvecklat en quantum routing switch som kan transportera intrasslade fotoner längs olika vägar samtidigt som kvantinformationen behålls intakt.
Enheten kan vara särskilt användbar för kvantberäkning, säger James Franson , professor i fysik vid University of Maryland, Baltimore County. För att bygga en kvantdator med fotoner behöver vi förmågan att byta [intrasslade] fotoner, säger Franson. En kvantomkopplare kan också en dag tillåta intrasslade fotoner från olika kvantdatorer att delas över långa avstånd – som molnberäkning, men med kvantinformation.
Kumar säger att switchen också kommer att göra ultrasäkra kvantnätverk till verklighet. Dagens information är vanligtvis säkrad med hjälp av vad som kallas kryptering av offentlig nyckel, som bygger på den praktiska omöjligheten att utföra vissa matematiska uppgifter, som att faktorisera extremt stora antal. Kvantnätverk skulle erbjuda ett ännu säkrare alternativ till kryptering av offentlig nyckel. Att använda intrasslade fotoner för att kommunicera säkerställer säkerheten eftersom varje försök att fånga upp ett meddelande skulle störa partiklarnas kvanttillstånd.
För att bygga den nya kvantomkopplaren använde forskarna kommersiell fiberoptisk kabel och andra optiska standardkomponenter, säger Kumar. Mitt mål är att göra saker i kvantinformationsutrymmet som är väldigt kompatibla med befintlig fiberinfrastruktur, säger han.
Det första steget är att förbereda fotonerna. Intrasslade fotoner har egenskaper, såsom polarisation, som är fundamentalt sammanlänkade. Om två fotoner är intrasslade avslöjar den uppmätta polariseringen av den ena motsvarande tillstånd för den andra. Forskarna använde en teknik där de blandade ihop flera våglängder av ljus i en standardfiber för att skapa intrasslade fotonpar.
Nästa steg är att skicka en foton ner i den optiska fibern till switchen, vilket ändrar fotonens kurs. Forskarnas switch är gjord av enbart optiska komponenter, inklusive en spole på 100 meter optisk fiber arrangerad i en slinga. En foton av ett intrasslat par skickas genom ena änden av slingan och genom en multiplexer, medan en kraftfull laser skickar ljuspulser in i spolen. Fotonen förskjuts på ett sådant sätt att den i andra änden av slingan separerar ut längs en separat bana, medan den förblir intrasslad med sin partner.
Slutresultatet är en switch som är väldigt snabb, har lågt bakgrundsljud och viktigast av allt, bevarar kvantinformationen. Enkelfotondetektorer i änden av fibrerna bekräftar att båda fotonerna bibehöll sitt intrasslade tillstånd, vilket visar att kvantinformationen bevarades. Arbetet beskrivs i ett färskt nummer av tidskriften Fysiska granskningsbrev .
Det är en viktig utveckling, eftersom att byta fotoner verkligen är den största skillnaden i att gå vidare med fortsatta framsteg inom kvantberäkning med fotoner, säger Franson.