Onderzoekers gebruikten innovatieve technieken en overwonnen eerdere beperkingen om een ​​nieuw snelheidsrecord van 7,1 qubits per seconde te vestigen, waardoor de ontwikkeling van kwantumtransmissietechnologie over lange afstanden werd bevorderd en een cruciale stap werd gezet op weg naar een efficiënt en verreikend kwantuminternet.

Kwantumteleportatie maakt gebruik van kwantumverstrengeling en klassieke communicatie om kwantuminformatie naar verre locaties te verzenden. Dit concept is geïmplementeerd in een verscheidenheid aan kwantumlichtsystemen, variërend van laboratoriumexperimenten tot praktische tests in de echte wereld. Het is vermeldenswaard dat wetenschappers met behulp van de Micius-satelliet die in een lage baan rond de aarde draait, met succes kwantuminformatie hebben verzonden naar een afstand van meer dan 1.200 kilometer. Er bestaat momenteel echter geen kwantumtransmissiesysteem met transmissiesnelheden in de orde van Hertz. Dit belemmert toekomstige toepassingen van quantum-internet.

In een artikel gepubliceerd in "Light Science & Application" werkte een team van wetenschappers onder leiding van professor Guo Guangcan en professor Zhou Qiang van de University of Electronic Science and Technology of China samen met professor You Lixing van het Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology, Chinese Academy of Sciences. Gebaseerd op het "UESTC First City Quantum Internet", verhoogden ze voor het eerst de teleportatiesnelheid naar 7,1 qubits per seconde. Dit vestigde een nieuw record voor een kwantumteleportatiesysteem binnen een stadsgebied.

a, Luchtfoto van het transportsysteem. Alice 'A' bevindt zich in de netwerkschakelkamer, Bob 'B' en Charlie 'C' bevinden zich in twee verschillende laboratoria. Alle optische vezels die de drie knooppunten verbinden, behoren tot het UESTC-backbonenetwerk. Tijdens het experiment werden alleen de signalen van Alice, Bob en Charlie door deze ‘donkere’ vezels verzonden. Alice bereidt de begintoestand voor met een zwak coherente bron van één foton en stuurt deze via het kwantumkanaal naar Charlie. De verstrengelde bron van Bob genereert een paar verstrengelde fotonen, die het luie foton vervolgens via een ander kwantumkanaal naar Charlie sturen. Charlie voert een gezamenlijke Bell-statusmeting (BSM) uit op de qubits die door Alice en Bob zijn verzonden, en projecteert deze in een van de vier Bell-staten. Vervolgens wordt het BSM-resultaat via het klassieke kanaal naar Bob gestuurd, en Bob voert eenheidstransformatie (U) uit op het signaalfoton om de begintoestand te herstellen.

"Het demonstreren van hogesnelheidskwantumteleportatie buiten het laboratorium brengt een reeks uitdagingen met zich mee. Dit experiment laat zien hoe deze uitdagingen kunnen worden overwonnen, en vormt daarmee een belangrijke mijlpaal voor het toekomstige kwantuminternet", zegt professor Zhou Qiang, de corresponderende auteur van dit werk. Een grote experimentele uitdaging voor kwantumteleportatiesystemen in de echte wereld is het uitvoeren van Bell State-metingen (BSM).

Om het succes van kwantumteleportatie te garanderen en de efficiëntie van Bell State Measurement (BSM) te verbeteren, moeten de fotonen van Alice en Bob bij Charlie niet van elkaar te onderscheiden zijn nadat ze over lange afstanden in optische vezels zijn verzonden. Het onderzoeksteam ontwikkelde een volledig operationeel feedbacksysteem dat snelle stabilisatie van verschillen in fotonpadlengte en polarisatie mogelijk maakte.

Het team daarentegen gebruikte een periodiek gepolariseerde lithiumniobaatgolfgeleider aan het uiteinde van een enkele optische vezel om verstrengelde fotonparen te genereren. Op basis hiervan ontwikkelden ze een hoogwaardige kwantumverstrengelde lichtbron met een herhalingssnelheid van 500 MHz voor transmissiesystemen over lange afstanden.

De rode balk is de betrouwbaarheid gemeten met QST. De blauwe balk is de betrouwbaarheid verkregen met behulp van DSM. De betrouwbaarheid van beide methoden overschrijdt de klassieke limiet van 2/3, de grijze stippellijn.

Dergelijke snelle kwantumteleportatie op basis van kwantumoptica vereist de meest gevoelige fotonsensoren om zoveel mogelijk gebeurtenissen te verzamelen. Het team onder leiding van professor You Lixing leverde samen met collega's van Photon Technology Co., Ltd. hoogwaardige supergeleidende nanodraad-enkel-fotondetectoren voor dit experiment. Omdat de detector uiterst efficiënt en vrijwel ruisvrij is, worden zeer efficiënte BSM- en kwantumtoestandsanalyses bereikt.

Het onderzoeksteam gebruikte twee methoden, kwantumtoestandstomografie en loktoestand, om de betrouwbaarheid van transmissie op afstand te berekenen, die veel hoger is dan de klassieke limiet (66,7%), wat bevestigt dat snelle stedelijke kwantumtransmissie op afstand is gerealiseerd.

In de toekomst wordt verwacht dat de "Universiteit voor Elektronische Wetenschap en Technologie van China nr. 1 Metropolis Quantum Internet" geïntegreerde kwantumlichtbronnen, kwantumrepeaters en kwantuminformatieknooppunten zal combineren om een ​​"hoge snelheid, hifi, multi-user, lange afstand" kwantuminternetinfrastructuur te ontwikkelen. Het team voorspelt ook dat deze infrastructuur de praktische toepassing van quantum-internet verder zal bevorderen.