Pirmā kvantu maršrutētāja demonstrācija

Fiziķi jau kādu laiku ir izmantojuši fotonu kvantu dabu, lai pārraidītu informāciju. Un, to darot, viņi ir atklājuši, cik spēcīgu kvantu komunikāciju var salīdzināt ar klasisko veidu.

Tā vietā, lai nosūtītu digitālā koda 0 un 1, kvantu komunikatori var nosūtīt informāciju stāvokļu superpozīcijā, kas vienlaikus attēlo gan 0, gan 1. Turklāt var sapīties atsevišķi kvantu objekti, piemēram, fotonu pāris, kas nozīmē, ka tiem ir viena un tā pati eksistence, pat ja tie ir plaši atdalīti. Tas noved pie kvantu informācijas formas, kurai nav klasiskā līdzinieka.

Kvantu informācija ir veicinošais faktors vairākām jaunām tehnoloģijām, kurām, pēc daudziem fiziķiem, nākotnē būs milzīga ietekme uz sabiedrību: jaudīgi kvantu datori, (gandrīz) pilnīgi droša kvantu kriptogrāfija un kvantu internets, kas izplatīs šīs iespējas pa visu planētu.

Bet ar šo kvantu nākotnes redzējumu ir problēma. Pašlaik fiziķi var nosūtīt tikai fotonus, kas satur kvantu informāciju vienas optiskās šķiedras garumā.

Fotonu virzīšana citā šķiedrā ir process, ko sauc par maršrutēšanu, kas izmanto vadības signālu, lai noteiktu datu signāla galamērķi un maršrutu. Klasiskais maršrutētājs vienkārši nolasa datus vadības signālā un attiecīgi maršrutē datu signālu.

Taču kvantu pasaulē vadības signāla nolasīšana arī to iznīcina. Tātad kvantu datu signālus ir bijis iespējams novirzīt tikai, izmantojot klasiskos vadības signālus. Un, lai gan tas ir ērti, tas neļauj maršrutēšanas procesam izmantot visu kvantu informācijas jaudu.

Šodien Xiuying Chang un daži draugi Tsinghau universitātē Ķīnā paziņo, ka ir uzbūvējuši un pārbaudījuši pirmo kvantu maršrutētāju, kas izmanto kvantu vadības signālu, lai noteiktu kvantu datu signāla maršrutu. Viņi saka, ka mēs... realizējam pirmo īstā kvantu maršrutētāja principiālu demonstrāciju.

Šajā jaunajā ierīcē informācija ir kodēta fotonu polarizācijā gan horizontāli, gan vertikāli. Ķīniešu grupa sāk, izveidojot vienu fotonu, kas atrodas gan horizontālās, gan vertikālās polarizācijas stāvokļu superpozīcijā.

Pēc tam viņi pārvērš šo vienu fotonu par mazākas enerģijas fotonu pāri, kas ir sapinušies, un šo procesu sauc par parametrisko lejupvērsto konversiju. Abi šie fotoni atrodas arī polarizācijas stāvokļu superpozīcijā.

Maršrutētājs darbojas, izmantojot viena no šiem fotonu polarizāciju kā vadības signālu, lai noteiktu otra, datu signāla, maršrutu. Ierīce ir vienkārša, nedaudz vairāk par pusspoguļiem fotonu vadīšanai un viļņu plāksnēm to polarizācijas pagriešanai.

Vispirms sekosim datu fotona maršrutam, ko nosaka pusspoguļu kopa, kas to nosūta vienā vai otrā virzienā atkarībā no tā polarizācijas. Viltība ir iestatīt maršrutētāju tā, lai vadības fotona polarizācija ietekmētu šo maršrutu.

Ķīniešu grupa to dara, pagriežot kontroles fotona polarizāciju, izmantojot pusviļņu un ceturkšņa viļņu plāksnes, kad datu fotons sasniedz pusspoguļus. Sapīšanās kvantu parādība nodrošina datu fotona atbilstošu novirzīšanu. Faktiski maršrutētājs darbojas kā loģikas vārti.

Protams, maršrutēšanas panākumi ir ticami, tāpat kā visas citas kvantu parādības. Čangs un kolēģi pabeidz eksperimentu, pārbaudot maršrutētāja loģikas vārtiem līdzīgas īpašības un nodrošinot, ka abi fotoni joprojām ir sapinušies pēc tam, kad tie ir izgājuši cauri tam.

Tas ir interesants solis uz priekšu, taču jaunajam maršrutētājam ir ievērojami ierobežojumi. Nozīmīgākais no tiem ir tas, ka tas vienlaikus var apstrādāt tikai vienu kvantu bitu vai kubitu. Un tā kā parametriskās lejupvērstās konvertēšanas process nevar apstrādāt vairāk kubitu, to nevar mērogot uz vairāk kubitu.

Tas ir būtisks trūkums. Tas nozīmē, ka šī ir principiāla ierīce, bet ne tāda, kas jebkad veidos nākotnes kvantu interneta pamatu.

Savā ziņā tas ir nedaudz līdzīgs pirmajiem kvantu datoriem, kas balstījās uz kodolmagnētisko rezonansi, lai manipulētu ar molekulu griešanos acetona tvertnē. Viņi veica triviālus aprēķinus, izmantojot nedaudzus kubitus, taču tos nevarēja palielināt, lai paveiktu kaut ko interesantu.

Tas nenozīmē, ka mums nekad nebūs mērogojamu kvantu maršrutētāju. Dažādas grupas strādā pie dažādām pieejām, kurām ir potenciāls mērogot. Progress ir vienmērīgs, bet lēns.

Tuvojas kvantu internets. Problēma ir tā, ka neviens nezina, kad.

Atsauce: arxiv.org/abs/1207.7265 : Uz sapīšanās balstīta kvantu maršrutētāja eksperimentāla demonstrācija

paslēpties