Första demonstrationen av en Quantum Router

Fysiker har utnyttjat fotonernas kvantnatur för att överföra information under en tid nu. Och genom att göra det har de upptäckt hur kraftfull kvantkommunikation kan jämföras med den klassiska typen.

Istället för att skicka 0:or och 1:or för digital kod, kan kvantkommunikatörer skicka information i en överlagring av tillstånd som representerar både 0:or och 1:or samtidigt. Dessutom kan separata kvantobjekt som ett par fotoner intrasslas, vilket innebär att de delar samma existens även om de är vitt åtskilda. Det leder till en form av kvantinformation som inte har någon klassisk motsvarighet.

Kvantinformation är den möjliggörande faktorn bakom ett antal framväxande teknologier som många fysiker förväntar sig kommer att ha en enorm inverkan på samhället i framtiden: kraftfulla kvantdatorer, (nästan) perfekt säker kvantkryptografi och kvantinternet som kommer att distribuera dessa möjligheter runt jorden.

Men det finns ett problem med denna vision om kvantframtiden. För närvarande kan fysiker bara skicka fotoner som bär kvantinformation över längden av en enskild optisk fiber.

Att leda fotonerna in i en annan fiber är en process som kallas routing, som använder en styrsignal för att bestämma destinationen och rutten för en datasignal. En klassisk router läser helt enkelt data i styrsignalen och dirigerar datasignalen därefter.

Men i kvantvärlden förstör läsning av en styrsignal också den. Så det har bara varit möjligt att dirigera kvantdatasignaler med hjälp av klassiska styrsignaler. Och även om det är praktiskt, tillåter det inte routingprocessen att utnyttja kvantinformationens fulla kraft.

Idag tillkännager Xiuying Chang och några kompisar vid Tsinghau University i Kina att de har byggt och testat den första kvantroutern som använder en kvantstyrsignal för att bestämma vägen för en kvantdatasignal. Vi...förverkligar den första proof-of-princip-demonstrationen av en äkta kvantrouter, säger de.

I denna nya enhet är informationen kodad i polariseringen av fotoner, antingen horisontellt eller vertikalt. Den kinesiska gruppen börjar med att skapa en enda foton som är i en superposition av både horisontella och vertikala polariseringstillstånd.

De omvandlar sedan denna enda foton till ett par fotoner med lägre energi som är intrasslade, en process som kallas parametrisk nedkonvertering. Båda dessa fotoner är också i en superposition av polarisationstillstånd.

Routern fungerar genom att använda polariseringen av en av dessa fotoner som styrsignal för att bestämma vägen för den andra, datasignalen. Enheten är enkel, lite mer än en samling halvspeglar för att styra fotoner och vågplattor för att rotera deras polarisation.

Låt oss först följa rutten för datafotonen som bestäms av en uppsättning halvspeglar som skickar den åt det ena eller det andra, beroende på dess polarisering. Tricket är att ställa in routern så att polariseringen av kontrollfotonen påverkar denna väg.

Den kinesiska gruppen gör detta genom att rotera polarisationen av kontrollfotonen med hjälp av halv- och kvartsvågsplattor när datafotonen når halvspeglarna. Kvantfenomenet intrassling säkerställer då att datafotonen dirigeras därefter. I själva verket fungerar routern som en logisk gate.

Naturligtvis är routingframgången en sannolikhet som alla andra kvantfenomen. Chang och co avslutar sitt experiment genom att verifiera logic-gate-liknande egenskaper hos routern och se till att båda fotonerna fortfarande är intrasslade efter att ha passerat genom den.

Det är ett intressant steg framåt men den nya routern har betydande begränsningar. Den viktigaste av dessa är att den bara kan hantera en kvantbit eller kvantbit åt gången. Och eftersom processen med parametrisk nedkonvertering inte kan hantera fler qubits, kan den inte skalas till fler qubits.

Det är en betydande nackdel. Det betyder att detta är en proof-of-princip-enhet men inte en som någonsin kommer att utgöra grunden för ett framtida kvantinternet.

På sätt och vis är det lite som de första kvantdatorerna som förlitade sig på kärnmagnetisk resonans för att manipulera molekylernas snurr i en balja med aceton. Dessa utförde triviala beräkningar med en handfull qubits men kunde inte skalas upp för att göra något intressant.

Därmed inte sagt att vi aldrig kommer att ha skalbara kvantroutrar. Olika grupper arbetar med olika tillvägagångssätt som har potential att skala. Framstegen går stadigt men långsamt.

Ett kvantinternet kommer. Problemet är att ingen vet när.

Ref: arxiv.org/abs/1207.7265 : Experimentell demonstration av en entanglement-baserad kvantrouter

Dölj