Ett mikrovågsbaserat kvantnätverk visar sig vara motståndskraftigt mot värmerelaterade störningar

Kvantkommunikationssystem är nya lösningar för att överföra information mellan enheter i ett nätverk genom att utnyttja kvantmekaniska fenomen, såsom kvantförveckling.

Kvantförveckling är en kvanteffekt som innebär en koppling mellan två eller flera partiklar som delar ett gemensamt tillstånd även på avstånd, så att mätning av den ena omedelbart påverkar den andra.

Liksom de flesta kvantsystem är kvantkommunikationsnätverk vanligtvis mycket känsliga för förändringar och störningar i omgivningen, även kallat brus. Slumpmässiga temperaturförändringar, liksom slumpmässig energi orsakad av värme (dvs. termiskt brus), kan störa kopplingarna i ett kvantnätverk, vilket gör det svårt att överföra kvanttillstånd på ett tillförlitligt sätt.

Forskare i Shenzhen, Kina, har demonstrerat ett kvantnätverk som bygger på mikrovågsfotoner, lågenergiska ljuspartiklar och en supraledande överföringsledning. Deras artikel, publicerad i Nature Electronics, presenterar en lovande metod för att minska det termiska bruset i detta nätverk, vilket möjliggör tillförlitlig överföring av kvanttillstånd mellan avlägsna enheter.

”Moderna högpresterande datorer uppnår sin kraft genom att koppla samman många processorer i kluster”, berättade Youpeng Zhong, medförfattare till artikeln, för Phys.org.

”En liknande idé växer fram inom kvantberäkning: att koppla samman flera kvantprocessorer i ett nätverk skulle kunna göra det enklare att bygga stora och kraftfulla kvantmaskiner. Supraledande kvantkretsar är för närvarande en av de mest lovande plattformarna för kvantberäkning, men att bygga nätverk mellan dem utgör en unik utmaning.”

Den experimentuppställning som användes för att demonstrera en mikrovågs-kvantlänk mellan supraledande kvantprocessorer som är motståndskraftig mot termiskt brus. Bild: Jiawei Qiu.

I kvantkommunikationssystem överför supraledande kvantkretsar kvantinformation med hjälp av mikrovågsfotoner. Eftersom dessa ljuspartiklar har låg energi är de kända för att vara mycket känsliga för termiskt brus.

”Processorer och kommunikationskanaler baserade på supraledare måste därför vanligtvis fungera vid temperaturer nära absolut nollpunkt”, säger Zhong. ”Detta krav gör storskaliga supraledande kvantnätverk kostsamma och tekniskt krävande. Vårt arbete motiverades av frågan: kan mikrovågs-kvantsignaler göras tillräckligt motståndskraftiga för att färdas genom en mycket varmare miljö?”

Ett lovande mikrovågs-kvantnätverk baserat på supraledare

Det primära målet med studien av Zhong och hans kollegor var att visa att mikrovågs-kvantsignaler också kan överföras pålitligt via en högtemperaturöverföringsledning, samtidigt som kvantkoherensen i systemet bevaras. Kvantkoherens är den egenskap som i slutändan gör att sammanflätade partiklar kan behålla sitt kvantbeteende utan att störas av omgivningsbrus.

”Den metod vi introducerade kombinerar några relativt enkla idéer”, förklarar Zhong.

”För det första fann vi att supraledande överföringsledningar kan upprätthålla låga förluster även när de passerar genom varmare temperatursteg. En användbar analogi är en vattenledning av hög kvalitet: den förhindrar inte bara att vattnet inuti läcker ut, utan förhindrar också att föroreningar läcker in.

”När vi väl visste att kanalen i sig kunde förbli ren, var nästa utmaning att ta bort det termiska bruset som redan fanns inuti en varm kanal.”

För att ta bort det termiska bruset som redan fanns i deras kvantnätverk kopplade forskarna överföringsledningen som transporterar mikrovågsfotoner (dvs. kanalen) till ett föremål som kan absorbera värme, även känt som en kylkälla.

Genom en process som kallas strålningskylning flödar oönskade uppvärmda fotoner naturligt in i det kalla föremålet, som fungerar som en reservoar. Detta rensar kommunikationsledningen från termiskt brus.

Tyvärr skulle strålningskylningsprocessen också ta bort de kvantsignaler som var avsedda att överföras. För att förhindra att detta hände använde Zhong och hans kollegor inställbara kopplare, enheter som styr styrkan i anslutningarna mellan olika delar av en krets och i huvudsak fungerar som ventiler.

”Vi öppnar först ventilen för att tömma kanalen på termiskt brus, stänger den sedan och överför snabbt kvantsignalen innan kanalen ’förorenas’ av termiskt brus”, sade Zhong.

”Vår metod är intuitiv och undviker att lägga till komponenter som kan orsaka förluster. Med hjälp av denna metod kunde vi höja kanaltemperaturen upp till 4 K samtidigt som vi fortfarande överförde kvanttillstånd och genererade sammanflätning mellan avlägsna supraledande kvantbitar.”

Möjliga tillämpningar och framtida forskningsinriktningar

Kvantkommunikationssystem baserade på supraledande kretsar fungerar vanligtvis bara om hela systemet permanent hålls vid extremt låga temperaturer. Den metod som detta forskarteam introducerar gör det däremot möjligt för ett mikrovågsbaserat kvantkommunikationssystem baserat på supraledare att fungera vid mycket högre temperaturer.

”Detta skulle kunna minska komplexiteten och kostnaden för att bygga stora supraledande kvantnätverk avsevärt”, säger Zhong.

”I våra inledande tester kunde vi generera fjärr-entanglement med en trohet på 93,6 % vid en kanaltemperatur på 1 K. Denna prestanda är jämförbar med de senaste demonstrationerna som utförts helt vid millikelvin-temperaturer, och viktigast av allt, den överskrider gränsvärdet för gränssnittet som krävs för distribuerad kvantfelkorrigering.

”Att nå temperaturer så höga som 4 K är särskilt tilltalande eftersom detta heliumtemperaturområde kan uppnås med hög kylkapacitet och låga kostnader.”

I framtiden kan denna senaste studie öppna nya möjligheter för utvecklingen av mikrovågs-till-optiska omvandlare, enheter som omvandlar mikrovågsfotoner till optiska fotoner och som är nödvändiga för att överföra kvantinformation över långa avstånd med hjälp av optiska fibrer.

Teamet hoppas att deras insatser ska bana väg för förverkligandet av nya lovande kvantkommunikationsnätverk som möjliggör snabb överföring av information mellan avlägsna enheter.

”Vår grupp har fokuserat på distribuerad kvantberäkning, med målet att bygga praktiska supraledande kvantnätverk”, säger Zhong. ”Detta arbete visar att termiska mikrovågsförbindelser är genomförbara, men som en första prototyp finns det fortfarande utrymme för förbättringar.”

Den experimentuppställning som Zhong och hans kollegor använde i sin första demonstration skyddar inte kvantnätverket på ett tillförlitligt sätt mot termiskt brus i själva kvantchipet. Eftersom termiskt brus på chipnivå är en viktig felkälla vill forskarna snart också öka kvantprocessorernas motståndskraft mot detta brus.

”Framöver hoppas vi kunna bygga större distribuerade kvantsystem – inte bara nätverk som kopplar samman supraledande processorer med varandra, utan även hybridsystem som kopplar samman supraledande kretsar med andra kvantplattformar”, tillägger Zhong. ”Vi tror att sådana hybridarkitekturer kan frigöra kapaciteter som är svåra att uppnå med en enda teknik.”