Quantenverschränkungsinformationen können über einen Quantenrepeater basierend auf 50 km langen Photonen, eingefangenen Ionen, übertragen werden. In den letzten 50 Jahren haben Kommunikationsnetzwerke unsere Gesellschaft völlig verändert und wir können uns ein Leben ohne sie kaum noch vorstellen. Wissenschaftler freuen sich über die Möglichkeit, Quantengeräte aufgrund der jüngsten Fortschritte in der Quantentechnologie mit Netzwerken zu verbinden. Die Quantenkommunikation über große Entfernungen birgt die Möglichkeit von Fähigkeiten, die in herkömmlichen Netzwerken nicht verfügbar sind. Quantennetzwerke tauschen Signale auf Einzelphotonenebene aus, um die Verschränkung und andere Quanteneffekte voll auszunutzen. Folglich ist die Hauptursache für Ausfälle in diesen Systemen die Faserdämpfung.
Photonenverluste können jedoch vermieden werden, indem eine Gruppe zwischengeschalteter Netzwerkknoten, sogenannte Quantenrepeater, verwendet wird, die die beiden verstreuten Netzknoten direkt miteinander verschränken. Die Verschränkung zweier Maschenknoten, die 32 m voneinander entfernt sind, wurde kürzlich mithilfe eines Quantenrepeaters erreicht, der auf Stickstoffhohlraumzentren in Diamant basiert. Mithilfe gefangener Ionen als Quantenrepeater konnten Victor Krutyanskiy von der Universität Innsbruck in Österreich und seine Kollegen zwei 25 km lange verschlungene Verbindungen zu einer einzigen 50 km langen Verbindung kombinieren. Dieser Abstand ist der Abstand, den funktionale Quantennetzwerke in der realen Welt benötigen.
Die Bedeutung des Erfolgs von Krutyanskiy und seinen Kollegen lässt sich angesichts der drei idealen Eigenschaften verstehen, die funktionale Quantenrepeater besitzen sollten. Die erste davon besteht darin, Zugang zum Quantenspeicher zu haben [5]. Die Methode zur Erzeugung einer Fernverschränkung ist aufgrund von Photonenverlust und anderen Hardware-Unzulänglichkeiten unklar. Wenn eine Ende-zu-Ende-Verbindung nur hergestellt werden könnte, wenn alle Kurzstreckenverbindungen gleichzeitig erfolgreich wären, wäre die Gesamterfolgsquote exponentiell gering. Quantenspeicher speichern Verschränkungen über kurze Entfernungen, sodass fehlgeschlagene Verbindungen wiederholte Verschränkungsversuche ermöglichen.
Die „Addition“ der Verschränkung hängt von der dritten gewünschten Eigenschaft ab. Dank des Repeaters verschränken sich ein fester Quantenspeicher und ein „fliegendes“ Photon, das sich entlang der Faser bewegt. Es wiederholt den Vorgang unter Verwendung eines neuen Speichers, um ein zweites fliegendes Photon zu erzeugen. Durch das Senden zweier Photonen an zwei verschiedene, entfernte Netzwerkknoten werden zwei separate verschränkte Verbindungen erstellt. Der Repeater verwendet dann einen Prozess, der als Verschränkungsaustausch bekannt ist, um diese Verbindungen zu kombinieren. Um die unschätzbare Gesamterfolgsrate der End-to-End-Verschränkung aufrechtzuerhalten, muss der Defragmentierungsprozess deterministisch und nicht probabilistisch sein.
Diese drei Funktionen wurden von Krutyanskiy und seinem Team in einem einzigen System kombiniert. Sie nutzten auch die Verschränkung zwischen zwei Netzwerkknoten A und B, die 50 km voneinander entfernt sind, eine geeignete Entfernung für praktische Anwendungen von Quantennetzwerken. Dieses Kunststück gelang dem Team, indem es zwei Calcium-40Ca+-Ionen einfing und sie als zwei Quantenspeicher nutzte. Die beiden Ionen werden zunächst in ihren Grundzustand initialisiert und dann im Rahmen des Repeater-Protokolls wiederholt mit Laserpulsen beleuchtet. Die Ionen erhalten vom Laser genügend Energie, um in einen höheren Energiezustand aufzusteigen. Durch den anschließenden Zerfall der Ionen emittiert jedes Ion ein Photon, wodurch das Ion-Photon-Paar verschränkt bleibt.
Die Photonen werden in einem Wellenlängenkonverter gesammelt, einem Gerät, das die ursprüngliche Wellenlänge der emittierten Photonen in eine geeignete Telekommunikationswellenlänge für ihre anschließende Ausbreitung umwandelt. Die beiden Photonen werden dann über 25 km lange Glasfaserspulen zu den Knoten A und B geleitet. Die Ionen-Photon-Verschränkung wird dann vom Repeater in eine Photon-Photon-Verschränkung über 50 km umgewandelt, indem ein deterministischer Verschränkungsaustausch an den beiden darin enthaltenen Ionen durchgeführt wird.
Durch wiederholtes Wiederholen der Verschränkungsverteilung und Messen der Photonen an den Knoten A und B kann die Zustandstomographie den endgültigen Photon-Photon-Zustand bestimmen und ein statistisches Maß dafür erstellen, wie zuverlässig der gemeinsame Photon-Photon-Zustand ist.
Eine perfekte Idealsituation wird durch Einheitstreue repräsentiert. Die Knoten A und B konnten eine Verschränkung mit einer Erfolgsrate von 9,2 Hz und einer Erfolgswahrscheinlichkeit von 9,2 pro Versuch erreichen, was zu einer Genauigkeit von 104 führte. Diese Genauigkeit ist viel höher als die 0,72, die für die Photonenverschränkung erforderlich sind. Die Forscher führten auch ein Experiment durch, bei dem die Photon-Photon-Verschränkung ohne Verwendung eines Repeaters über eine Entfernung von 0,5 km verteilt wurde. Der Vorteil des Einsatzes von Repeater-gestützten Techniken wird deutlich durch die geringe Erfolgsquote von 50 Hz deutlich. Bei den Arbeitsabständen des Experiments mag dieser Vorteil unbedeutend erscheinen. Bei Entfernungen über 6,7 km sinkt die Erfolgsquote jedoch dramatisch, wenn keine Repeater vorhanden sind.
In ihrer Analyse überlegte das Innsbrucker Team, wie viel besser die experimentellen Einstellungen sein müssten, damit mehrere gekoppelte Repeater eine Ende-zu-Ende-Distanz von 800 km überbrücken könnten. Überraschenderweise müssen an vielen Funktionen nur wenige Änderungen vorgenommen werden. Die bedeutendste Verbesserung ist beim nichtdeterministischen Photonenverschränkungsmodifikator erforderlich, der für die Verbindung mehrerer Repeater erforderlich ist. Forscher liefern überzeugende Argumente dafür, warum die Verbesserungen in naher Zukunft machbar sind.
In letzter Zeit sind spannende experimentelle Beispiele der Quantenkommunikation aufgetreten. Angesichts der in diesen Studien nachgewiesenen Langstreckenfähigkeiten ist klar, dass Quantennetzwerke schnell von theoretischen Konzepten zu praktischen Anwendungen übergehen. Es ist sehr wichtig, sich an zwei wichtige Lehren zu erinnern, die man aus dem Internet, einem traditionellen Netzwerk, gelernt hat. Erstens reicht eine gute Ausstattung nicht aus, um eine Kommunikation auf globaler Ebene zu ermöglichen. Allerdings ist eine robuste Softwarearchitektur erforderlich. Zweitens dauert es lange, bis gute Software ausgereift ist. Um den reibungslosen Betrieb von Hardware und Software zu gewährleisten, arbeiten Physiker und Technologen zusammen, um benutzerdefinierte Verbindungsschichtprotokolle und vollständige Architekturen für das Quanteninternet der Zukunft zu erstellen.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/84
Günceleme: 23/05/2023 12:58