Kvantnätverk, system som består av sammankopplade kvantdatorer, kvantsensorer eller andra kvantapparater, har potential att möjliggöra snabbare och säkrare kommunikation. Upprättandet av dessa nätverk bygger på ett kvantfenomen som kallas entanglement, vilket innebär en koppling mellan partiklar eller system, där det ena kvanttillståndet påverkar det andra även när de befinner sig långt ifrån varandra.
De atom-baserade kvantbitarna som hittills använts för att etablera kvantnätverk fungerar vid synliga eller ultravioletta våglängder, vilket inte är idealiskt för överföring av signaler över långa avstånd via optiska fibrer. Omvandling av dessa signaler till våglängder inom telekommunikationsbandet kan dock minska kommunikationens effektivitet och introducera oönskade signaler som kan störa länken mellan kvantbitarna.
Ett forskarteam vid University of Illinois at Urbana-Champaign, ledat av professor Jacob P. Covey, har nyligen realiserat kvantnätverk med telekombandsvåglängder med hjälp av en matris av ytterbium-171-atomer. Deras artikel, publicerad i Nature Physics, presenterar en lovande metod för att realisera högkvalitativ sammanflätning mellan atomer och optiska fotoner som genereras direkt i telekommunikationsbandet.
”Nätverk av kvantmekaniska enheter med delad kvantmekanisk sammanflätning öppnar nya möjligheter inom kvantinformationsvetenskapen”, säger Xiye Hu, medförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Ytterbium-171, som vanligtvis används i optiska atomur på grund av sitt långlivade metastabila tillstånd, har visat sig vara en resursstark kandidat inom atommatrisområdet med nya tillämpningar inom kvantberäkning och metrologi.”
Laserprepareringsbord. Källa: Covey Lab.
För att realisera sitt kvantnätverk utnyttjade Hu och hans kollegor de unika egenskaperna hos 171Yb-atomarrayer, som är kända för att vara lovande för långdistanskommunikation. Deras nätverk markerar ett viktigt steg mot realiseringen av ett nätverk av kvantprocessorer som kan stödja distribuerad databehandling eller ett kvantnätverk av atomur för precisa tidsmätnings- och avkänningsapplikationer.
”Från det metastabila tillståndet i 171Yb finns en måttligt bred övergång vid 1389 nm, som vi utnyttjade för att realisera tidsbin-kodad sammanflätning mellan en enkel atom och en enkel foton i telekommunikationsbandet med hög trohet”, förklarade Hu.
”Genom att avbilda vår endimensionella atomarray på en kommersiell fiberarray visade vi att insamlingen av enfoton och den efterföljande genereringen av entanglement kan parallelliseras över arrayen.”
Källa: Covey Lab.
Hu och hans kollegor demonstrerade genomförbarheten av sin parallelliserade kvantnätverksmetod i en serie tester och fann att den gav en jämnt hög sammanflätningsfidelitet och försumbar överhörning mellan olika platser i nätverket. De utvecklade sedan också ett ”mid-circuit networking protocol”, ett verktyg som gör det möjligt att bevara koherensen hos datakvantbitar under nätverksförsök.
”Vi studerade i detalj både de fysiska och tekniska faktorer som begränsar den uppnådda tidsbin-kodade atom-foton-entanglement-fideliteten och tillhandahöll konkreta lösningar för förbättringar”, säger Hu.
”Avgörande är att vi visade att 99 % fidelitet lätt kan uppnås med tekniska uppgraderingar. För det andra bekräftade vi att fibermatrisen inte introducerar ytterligare felkällor som kan hindra entanglement-fideliteten.”
En viktig egenskap hos den 171Yb-atomarray som forskarna använde är dess geometriska likhet med en fiberarray. Hu och hans kollegor tror att deras nätverk därför kan vara användbart för att hantera generaliserade parallelliseringsuppgifter (dvs. uppgifter som kan delas upp i mindre deluppgifter och utföras samtidigt av olika kvantbitar eller enheter i ett nätverk).
De designstrategier och nätverksprotokoll för mellanliggande kretsar som utvecklats av dessa forskare kan snart användas av andra forskarteam för att realisera parallelliserade kvantnätverk. Protokollet visade sig vara mycket lovande för schemaläggning av nätverksuppgifter, samtidigt som det bibehöll beräknings- eller lagringskoherensen på en enda kvantprocessor inom ett större nätverk.
”En av de mest betydande förbättringarna vi kan göra som en del av vårt framtida arbete är att byta från att använda en objektivlins till att använda en kavitet för insamling av enstaka fotoner”, säger Hu. ”Bland annat ger kaviteten en förbättring av insamlingseffektiviteten med flera storleksordningar, vilket avsevärt förbättrar nätverkshastigheten.”
Forskare vid Covey Lab utformar för närvarande ett nytt andra generationens ytterbiumexperiment som syftar till att realisera höghastighets- och långdistanskommunikation inom ett kvantnätverk. I detta experiment planerar teamet att placera sin atomarray inuti ett makroskopiskt konfokalt hålrum som är belagt för 1 389 nm-övergången.
”Den tidsbin-kodade atom-foton-entanglement som demonstrerats som en del av vårt senaste arbete kommer också i slutändan att utvidgas för att realisera fjärr-atom-atom entanglement, antingen mellan två atomer inom en enda apparat eller mellan två atomer i två olika apparater”, tillägger Hu.
Mer information: Lintao Li et al, Parallelized telecom quantum networking with an ytterbium-171 atom array, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03022-4. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2502.17406
