量子もつれ情報は、長さ 50 km の光子、トラップされたイオンに基づいて量子中継器を介して送信できます。 過去 50 年間で、通信ネットワークは私たちの社会を完全に変え、今では通信ネットワークなしの生活を想像するのは困難です。 科学者たちは、量子技術の最近の進歩の結果として、量子デバイスをネットワークに接続できる可能性に興奮しています。 長距離量子通信は、従来のネットワークでは利用できない機能の可能性をもたらします。 量子ネットワークは単一光子レベルで信号を交換し、もつれやその他の量子効果を最大限に活用します。 したがって、これらのシステムの障害の主な原因はファイバーの減衰です。
ただし、光子の損失は、32 つの散在メッシュ ノードを直接絡み合わせる量子リピーターとして知られる中間ネットワーク ノードのグループを使用することで回避できます。 最近、ダイヤモンドの窒素空隙中心に基づく量子中継器を使用して、25 メートル離れた 50 つのメッシュ ノードのもつれが達成されました。 オーストリアのインスブルック大学の Victor Krutyanskiy らは、トラップされたイオンを量子中継器として使用し、長さ XNUMX km の XNUMX つの絡み合ったリンクを XNUMX つの長さ XNUMX km のリンクに結合することに成功しました。 この距離は、現実世界の機能量子ネットワークに必要な距離です。
機能量子中継器が持つべき 5 つの理想的な特性を考慮すると、クルティャンスキーと彼の同僚の成功の重要性が理解できます。 XNUMX つ目は、量子メモリにアクセスすることです [XNUMX]。 リモートエンタングルメントを生成する方法は、光子の損失やその他のハードウェアの不備のため不明です。 すべての短距離接続が同時に成功した場合にのみエンドツーエンド接続を確立できる場合、全体の成功率は指数関数的に小さくなります。 量子メモリは短距離エンタングルメントを保存し、失敗した接続でもエンタングルメント試行を繰り返すことができます。
もつれの「追加」は、XNUMX 番目に必要なプロパティによって異なります。 リピーターのおかげで、固定された量子メモリとファイバーに沿って移動する「飛行」光子が絡み合います。 新しいメモリを使用してプロセスを繰り返し、XNUMX 番目の飛行フォトンを作成します。 XNUMX つの別々のもつれリンクは、XNUMX つのフォトンを XNUMX つの異なるリモート ネットワーク ノードに送信することによって作成されます。 次に、リピーターはエンタングルメント スワッピングと呼ばれるプロセスを使用して、これらのリンクを結合します。 エンドツーエンドのエンタングルメントの貴重な全体的な成功率を維持するには、デフラグ プロセスが確率論的ではなく決定論的である必要があります。
これら 50 つの機能は、Krutyanskiy 氏と彼のチームによって 40 つのシステムに統合されました。 また、量子ネットワークの実用化に適した距離である XNUMX km 離れた XNUMX つのネットワーク ノード A と B 間のエンタングルメントも展開しました。 研究チームは、XNUMX つのカルシウム XNUMXCa+ イオンを捕捉し、それらを XNUMX つの量子メモリとして使用することで、この偉業を達成することができました。 XNUMX つのイオンはまず基底状態に初期化され、次にリピーター プロトコルの一部としてレーザー パルスが繰り返し照射されます。 イオンはレーザーから十分なエネルギーを受け取り、より高いエネルギー状態に上昇します。 その後のイオンの崩壊の結果、各イオンは光子を放出し、イオンと光子のペアが絡み合ったままになります。
光子は、放出された光子の元の波長をその後の移動に適した通信波長に変換するデバイスである波長変換器に収集されます。 次に、25 つの光子は、長さ 50 km の光ファイバーのスプールを使用してノード A と B に送られます。 次に、中継器が保持する XNUMX つのイオンに対して決定論的なもつれ交換を実行することにより、イオン - 光子のもつれは XNUMX km にわたる光子 - 光子のもつれに変換されます。
状態トモグラフィーは、エンタングルメント分布を繰り返し、ノード A および B で光子を測定することにより、最終的な光子間状態を決定し、共有された光子間状態がどの程度忠実であるかの統計的尺度を作成できます。
完璧な理想的な状況は、ユニットの忠実度によって表されます。 ノード A と B は、成功率 9,2 Hz、試行あたりの成功確率 9,2 でエンタングルメントを達成でき、忠実度は 104 となりました。 この忠実度は、光子のもつれに必要な 0,72 よりもはるかに高くなります。 研究者らはまた、中継器を使用せずに光子と光子のもつれを0,5kmの距離に分散させる実験も実施した。 リピーター支援技術を使用する利点は、成功率が 50 Hz という低いことからも明らかです。 実験の作動距離では、この利点は重要ではないように見えるかもしれません。 ただし、6,7 km を超える距離では、中継者がいないと成功率が大幅に低下します。
インスブルックのチームは分析の中で、800 km のエンドツーエンド距離にまたがる複数の結合中継器の実験設定をどの程度改善する必要があるかを検討しました。 驚くべきことに、多くの機能にはほとんど変更を加える必要がありません。 最も重要な改善は、複数の中継器を相互接続するために必要な非決定性光子もつれ修正に必要です。 研究者らは、なぜ近い将来にこの改善が実現可能なのかについて有力な主張を行っている。
量子通信の興味深い実験例が最近発生しました。 これらの研究で実証された長距離能力を考慮すると、量子ネットワークが理論概念から実用化へと急速に進歩していることは明らかです。 従来のネットワークであるインターネットから学んだ XNUMX つの重要な教訓を覚えておくことが非常に重要です。 まず第一に、地球規模での通信を可能にするためには、優れた機器を備えているだけでは十分ではありません。 ただし、堅牢なソフトウェア アーキテクチャが必要です。 第二に、優れたソフトウェアは成熟するまでに長い時間がかかります。 ハードウェアとソフトウェアを並行して実行し続けるために、物理学者と技術者が協力してカスタム リンク層プロトコルを作成し、将来の量子インターネットの完全なアーキテクチャを作成します。
出典:physics.aps.org/articles/v16/84
Günceleme: 23/05/2023 12:58