Naukowcy od dawna zdają sobie sprawę, że systemy komunikacji kwantowej przesyłają informacje kwantowe bardziej wiernie i były nieprzepuszczalne do niektórych form błędów, jeśli zastosowano nieliniowe procesy optyczne. Jednak wcześniejsze wysiłki na rzecz włączenia takich procesów nie mogły działać z wyjątkowo niskim poziomem światła wymaganym do komunikacji kwantowej.
Teraz zespół z University of Illinois Urbana-Champaign poprawił tę technologię, opierając proces nieliniowy na platformie nanofotonicznej indium-galum-fosforid. Wynik jest znacznie bardziej wydajny niż poprzednie systemy, co oznacza, że wymaga znacznie mniej światła i działa aż do pojedynczych fotonów, najmniejszej jednostki światła. Po raz pierwszy istnieje ścieżka do wykonania systemów komunikacji kwantowej z optyką nieliniową.
„Nasz nieliniowy system przesyła informacje kwantowe o 94% wierności, w porównaniu z teoretycznym limitem 33% w stosunku do systemów z wykorzystaniem liniowych komponentów optycznych” – powiedział Kejie Fang, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej Illinois oraz przewód projektu. „Samo to pokazuje moc komunikacji kwantowej z nieliniową optyką. Dużem problemem do rozwiązania jest wydajność. Przy użyciu platformy nanofotonicznej widzieliśmy wzrost wydajności o wystarczającą ilość, aby pokazać, że technologia jest obiecująca”.
Badanie zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
Przekazanie informacji kwantowych w sieciach jest ułatwione przez protokół teleportacyjny kwantowy. W nim zjawisko splątania kwantowego – w którym dwa obiekty kwantowe, zazwyczaj pojedyncze fotony, wpływają na siebie nawzajem, nawet jeśli nie ma widocznego fizycznego połączenia między nimi – jest wykorzystywane do przesyłania informacji kwantowych między nadawcą a odbiornikiem bez przesyłania go przez kanał komunikacyjny. Zaletą tej procedury jest to, że wpływy hałasu zewnętrznego i niedoskonałości kanałów są znacznie złagodzone.
Istnieją dwa czynniki, które ograniczają wydajność teleportacji kwantowej. Po pierwsze, zastosowanie standardowych, liniowych komponentów optycznych wprowadza nieodłączne dwuznaczności w transmisji. Po drugie, zaplątane fotony są wykonane z niedoskonałym procesem podlegającym błędom i nadmiernym szumie. W szczególności źródła splątania często produkują więcej niż jedną parę fotonów jednocześnie, co czyniąc nie jasne, czy oba stosowane w teleportacji są naprawdę uwikłane.
„Hałas wielofotonowy występuje we wszystkich realistycznych źródłach splątania i jest to poważny problem dla sieci kwantowych”-powiedziała Elizabeth Goldschmidt, profesor fizyki Illinois i współautor badania. „Appel nieliniowej optyki polega na tym, że może ona złagodzić efekt szumu wielofotonowego na podstawie fizyki podstawowej, umożliwiając pracę z niedoskonałymi źródłami splątania”.
Nieliniowe komponenty optyczne powodują, że fotony o różnych częstotliwościach łączą się i tworzą nowe fotony przy nowych częstotliwościach. W przypadku teleportacji kwantowej zastosowanym procesem nieliniowym jest „wytwarzanie częstotliwości sum” (SFG), w którym częstotliwości dwóch fotonów dodają do nowego fotonu. Jednak oryginalne dwa fotony muszą mieć określone częstotliwości początkowe, aby proces miał miejsce.
Gdy SFG jest używany w teleportacji kwantowej, protokół nie jest kontynuowany, jeśli wykryto dwa fotony o tej samej częstotliwości. To filtruje podstawowy rodzaj szumu w większości zaplątanych źródeł fotonów i pozwala na znacznie wyższe wierności teleportacyjne, niż byłoby to możliwe. Główną wadą jest to, że konwersja SFG występuje z bardzo niskim prawdopodobieństwem, co czyni proces teleportacji jest wysoce nieefektywny.
„Naukowcy wiedzą o tym od dłuższego czasu, ale nie został w pełni zbadany z powodu niskiego prawdopodobieństwa udanego SFG” – powiedział Fang. „W przeszłości najlepsze osiągnięte jest 1 na 100 milionów. Nasze osiągnięcie realizuje współczynnik 10 000 wzrostu wydajności konwersji do 1 na 10 000 z platformą nanofotoniczną”.
Naukowcy są optymistami, że przy dalszym rozwoju teleportacja kwantowa z nieliniowymi komponentami optycznymi może być jeszcze bardziej wydajna. Uważają, że znajdzie zastosowanie w innych protokołach komunikacji kwantowej, w tym zamianie splątania.