Yeni çoğullama şeması uzun mesafeli kuantum iletişimini hızlandırıyor

Kuantum bilgilerini birbirine iletebilen birden fazla bağlı düğüm veya cihazdan oluşan sistemler olan kuantum ağları, gelecekteki iletişimleri ilerletme potansiyeline sahiptir. Bu ağlar tipik olarak, iki veya daha fazla uzak parçacığın yüksek oranda korelasyona girmesine neden olan bir kuantum olgusu olan dolaşmadan yararlanır, böylece birinin ölçülmesi anında diğerinin durumunu etkiler.

Uzak parçacıkların dolaşık hale gelmesini ve kuantum durumlarını iletebilmesini sağlamak için bazı kuantum bilimciler sözde dolaşıklığı gerçekleştirmeye çalışıyor. Bu, tespit edilebilir bir sinyalden, düğümler arasında dolaşıklığın kurulduğunun onaylanmasını gerektirir.

Tsinghua Üniversitesi ve Hefei Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar yakın zamanda çoklu iyonlar (yani elektrik yüklü atomlar) arasında müjdelenen dolaşıklığın oluşumunu hızlandırmak için umut verici bir strateji başlattılar. Önerilen yaklaşımları, yayınlanan bir makalede özetlenmiştir. Fiziksel İnceleme Mektuplarıaynı iletişim kanalı üzerinden birden fazla sinyal gönderme tekniği olan çoğullama şemasına dayanır.

Makalenin eş-kıdemli yazarı Yunfei Pu, CEİD’a şöyle konuştu: “Temel görüşümüz, klasik protokollere benzer eş zamanlı uyarma girişimlerini yürüten bu deneyde kullanılan çoğullama şemasının, kuantum ağları ve tekrarlayıcıların temel yapı taşı olan uzak madde kubitleri arasında müjdelenen dolaşıklık oluşumunu hızlandırmak için gerekli olduğudur.” “Çoğullama, dolaşıklık oluşturma oranlarını ciddi şekilde sınırlayan gidiş-dönüş iletişim gecikmesinin etkili bir şekilde üstesinden gelir.”

Ekibin yeni çoğullama şemaları tasarlama çabaları

Pu ve meslektaşları, 1000 km’den (620 mil) daha uzak mesafelere bilgi iletebilen kuantum tekrarlayıcıların gerçekleştirilmesi için vazgeçilmez olacağına inandıkları için yıllardır çoğullama şemaları geliştiriyorlar. Son çalışmaları bu hedefe yönelik son çabalarıdır.

Pu, “Geçtiğimiz on yılda grubumuz, iki boyutlu AOD adresleme ve iyon mekiği gibi yaklaşımları kullanarak nötr atom ve tuzaklanmış iyon kuantum ağları için çoğullama tekniklerini kapsamlı bir şekilde araştırdı” dedi.

“Önceki çalışmamız, çoğullama yoluyla atom-foton dolaşıklığının hızlanmasını başarılı bir şekilde gösterdi, ancak çoğullamayla geliştirilmiş atom-atom dolaşıklığı henüz gerçekleştirilmemişti. Bu çalışmada, atom-atom dolaşıklığını göstererek protokolü tamamlıyoruz ve özellikle dolaşıklık doğruluğu açısından son derece olumlu sonuçlar elde ediyoruz.”

Araştırmacılar, atom-atom dolaşıklığını hızlandırmaya yönelik planlarının potansiyelini göstermek için ilk olarak 1,2 km’lik (0,75 mil) optik fiberle birbirine bağlanan iki tuzaklanmış iyondan oluşan bir kuantum ağı kurdular. Deneyleri için, yakın kızılötesi ışık (yani 866 nm dalga boyuna sahip fotonlar) üreten veya bunlarla etkileşime giren pozitif yüklü kalsiyum atomları olan ⁴⁰Ca⁺ iyonlarını kullandılar.

Pu, “Bu geçiş, uygun bir yakın kızılötesi (NIR) dalga boyu sunmasına rağmen, yaklaşık %6’lık düşük bir dallanma oranından (istenen fotonları yayma olasılığı) muzdariptir ve bu da dolaşma girişimlerinde önemli verimsizliğe yol açar” diye açıkladı.

“Bunu ele almak için daha önce etkili dallanma oranını birliğe doğru yükseltmeyi amaçlayan bir ‘çoklu uyarım’ şeması tasarladık. Ancak bu şemanın atom-atom dolaşması için uygulanabilirliği doğrulanmadı.”

Çok modlu geliştirilmiş atom-atom dolaşıklığının gösterimi

Araştırmacılar, planlarının atom-atom dolaşması oluşumuna uygulanabileceğini başarıyla gösterdi. Bu şemayı kullanarak, bir kuantum ağı oluşturan iki tuzaklanmış iyon düğümü arasında çok modlu geliştirilmiş atom-atom habercisi olan dolaşıklığı fark ettiler.

Pu, “Her düğümde, tur başına 10 zamansal moda rastgele dağıtılmış iyon-foton dolaşıklığını oluşturmak için çoklu uyarma şeması kullanıyoruz” dedi. “Her iki düğümden gelen fotonlar, 600 m’lik optik fiber aracılığıyla iletilir ve fotonik Bell durumu ölçümü (BSM) için merkezi bir istasyonda müdahale edilir. Spesifik bir dedektör çakışma modeli, uzaktan iyon-iyon dolaşıklığının başarılı bir şekilde üretildiğini müjdeliyor.”

Her başarılı dolaşma olayının aynı dolaşma durumunu ürettiğinden emin olmak için araştırmacılar gerçek zamanlı bir faz telafisi yaklaşımı kullandılar. Dolaşmış durumun aslına uygunluğunu karakterize etmek için kuantum durum tomografisi adı verilen bir teknik kullandılar.

Pu, “10 zamansal modu kullanarak uzak iyon-iyon dolaşma oranında 4,59 kat artış elde ediyoruz” diye açıkladı.

“Çok modlu geliştirilmiş spin-spin dolaşıklığı daha önce yalnızca katı hal sistemlerinde gerçekleştirilmiş olsa da, bu çalışma lazerle soğutulan atom sistemindeki ilk gösterimi temsil ediyor. Ayrıca, elde edilen %95,9’luk iyon-iyon dolaşıklık doğruluğu, laboratuvar ölçeğinin ötesindeki mesafelerde müjdelenen madde-madde dolaşıklığı için yeni bir rekor belirliyor.”

Özellikle, bu, lazerle soğutulmuş bir atom sisteminde çok modlu geliştirilmiş uzaktan döndürme-döndürme dolaşıklığının ilk gösterimiydi. Lazerle soğutulan atomik sistemler, kuantum hesaplama için kurulmuş platformlardır ve halihazırda yüksek doğruluklu kuantum mantık kapılarını kanıtlamışlardır.

Pu, “Bu tür yetenekler, dolaşma takası, saflaştırma ve kuantum ışınlanma dahil olmak üzere temel dağıtılmış işlemleri gerçekleştirebilen kuantum ağları ve tekrarlayıcılar oluşturmak için ön koşullardır” dedi. “Elde edilen %95,9’luk iyon-iyon dolaşma doğruluğu, laboratuvar ölçeğinin ötesine uzanan mesafelerde müjdelenen spin-spin dolaşıklığı için yeni bir rekor oluşturuyor.”

Hızlı bir kuantum internetin gerçekleştirilmesine doğru

Bu yeni makale umut verici bir çoğullama şemasını, üretilen dolaşmış durumların fazını stabilize etmeye yönelik bir stratejiyi ve düşük dallanma oranlarına sahip optik geçişleri kullanmaya yönelik bir yöntemi tanıttı.

Gelecekte, yeni tanıtılan yaklaşımlar, iyon-iyon dolaşma oluşumunu hızlandırma potansiyellerini daha da doğrulamak için tuzaklanmış iyon kuantum ağlarıyla yapılan diğer deneylerde test edilebilir.

Pu, “Bazı optik geçişler, uzun mesafeli fiber iletimi için uygun dalga boylarında olsa da, bunların kullanımı genellikle dolaşıklık oluşturma verimliliğini azaltan düşük dallanma oranlarıyla sınırlıdır” dedi. “Genellikle, bu sınırlamanın üstesinden gelmek, önemli deneysel karmaşıklık getiren yüksek hassasiyetli optik boşluklar gerektirir. Bu yöntemi kullanarak, ilk kez boş alan konfigürasyonunda verimliliğin artırılabileceğini gösterdik.”

Pu ve meslektaşları, planlarının telekomünikasyon dalga boyu geçişlerine dayanan ancak iterbiyum iyonlarındaki 1.650 nm geçiş gibi düşük dallanma oranlarıyla sınırlı olan diğer atomik kuantum ağlarına da uygulanabileceğini tahmin ediyor. Bu arada araştırmacılar, yeni pratik kuantum tekrarlayıcılar geliştirmeyi ve uzun mesafeli kuantum iletişimini gerçekleştirmeyi amaçlayan daha fazla çalışma planlıyorlar.

Pu, “Teknik olarak, tuzaklanmış iyon kuantum ağlarının performansını, tek foton habercisi ve diğer çoğullama teknikleri gibi çeşitli stratejiler yoluyla daha da geliştirmeyi hedefliyoruz” diye ekledi.

“Kuantum ağlarını ve tekrarlayıcıları ölçeklendirmek için önemli bir eşik, uzaktan dolaşıklık oluşturma oranının düğüm eşevresizlik oranını aşmasıdır. Bunu başarmak özellikle uzun mesafelerde zordur.

“Bu nedenle, bu ölçeklenebilirlik eşiğine ulaşmak için, daha verimli bir tek foton şemasını (burada kullanılan iki foton şemasının aksine) benimseyerek ve iyon mekiği veya AOD adresleme gibi çoğullama yöntemlerini birleştirerek dolaşıklık oluşturma verimliliğini artırmayı planlıyoruz.”