Kvantteknik, enheter och system som utnyttjar kvantmekaniska effekter kan hantera vissa uppgifter på ett mer tillförlitligt och effektivt sätt än någon klassisk teknik.
Under de senaste åren har vissa forskare försökt realisera kvantnätverk för att skala upp storleken på kvantdatorer, som i huvudsak består av flera sammankopplade mindre kvantprocessorer.
Enheterna i ett kvantnätverk är kopplade via entanglement, en kvanteffekt genom vilken kvantpartiklar på avstånd blir oupplösligt kopplade till varandra och delar ett enda korrelerat tillstånd. Ett sätt att skapa entanglement mellan olika atomära kvantdatorer är att använda ett atom-kavitet-gränssnitt, ett system där atomer interagerar med ljus inuti en optisk kavitet.
För över två decennier sedan introducerade två fysiker vid Aarhus universitet ett protokoll utformat för att producera högkvalitativa sammanflätade tillstånd, som på ett tillförlitligt sätt kopplar samman enheter i ett nätverk. Trots sin potential visade sig detta ramverk, känt som state-carving (SC)-protokollet, endast fungera i 50 % av fallen, vilket hittills har hindrat dess tillämpning i stor skala.
Forskare vid Academia Sinica i Taiwan, med hjälp av andra vid Harvard University, har nyligen tagit fram en modifierad version av detta protokoll som kan uppnå nästan perfekt sammanflätning mellan atomer och fotoner med mycket större effektivitet.
Det reviderade protokollet, som presenterades i en artikel publicerad i Physical Review Letters, kräver inte avancerad eller dyr utrustning och kan potentiellt bidra till förverkligandet av stora kvantnätverk, inklusive ett kvantinternet.
”Vårt senaste arbete med effektiv och högkvalitativ generering av sammanflätning motiverades av en av våra tidigare artiklar publicerade i QST, som föddes ur ett samarbete mellan försteförfattaren Sumit Goswami, då postdoktor, och Cheng-Hsuan Chien, en universitetsstudent i vår grupp”, berättade Hsiang-Hua Jen, seniorförfattare till artikeln, för Phys.org.
”Efter QST-arbetet med skalbar generering av klustertillstånd med hjälp av den så kallade SC-tekniken kom Sumit på denna utmärkta idé genom att använda endast en foton för att interagera med atomerna två gånger, vilket i princip ledde till en perfekt generering av kvantmekanisk sammanflätning med enhetsprobabilitet.”
Ett modifierat SC-protokoll
I huvudsak genererade Goswami, Chien, Jen och deras kollegor entanglement med hjälp av en enda foton som interagerar två gånger med atomer, till skillnad från de två fotoner som användes i det ursprungliga SC-protokollet. Denna enkla modifiering skulle kunna möjliggöra tillförlitlig generering av entanglement vid kavitetsgränssnitt, vilket skulle kunna utnyttjas för att skapa modulära kvantdatorsystem och kvantnätverk.
”SC används för att sammanfläta avlägsna atomer som inte kan interagera direkt med varandra”, förklarade Goswami.
”Istället kopplas de två atomerna till en optisk kavitet där de båda interagerar med fotoner som träffar kaviteten. Interaktionen är enkel: fotonen släpps in i kaviteten eller reflekteras beroende på om minst en atom är kopplad till kaviteten eller inte.”
Genom denna växelverkan mellan atomer och fotoner blir atomerna slutligen sammanflätade med fotoner, liksom med varandra. Genom att mäta fotonernas tillstånd med hjälp av fotondetekteringstekniker möjliggör teamets protokoll att atomerna ”kollapsar” till specifika sammanflätade tillstånd.
”Vi agerar ungefär som en skulptör som ’skär bort’ oönskade kvanttillstånd för att projicera/kollapsa atomerna till ett perfekt sammanflätat tillstånd”, förklarade Goswami. ”SC upptäcktes 2003 av Sørensen och Mølmer, men äldre SC-tekniker misslyckades i 50 % av fallen eftersom det krävdes att fotoner sammanflätades och detekterades två gånger. Den mellanliggande fotondetekteringen före den slutliga detekteringen orsakade sannolikhetsförlust.”
Till skillnad från det ursprungliga SC-protokollet får teamets modifierade version en enskild foton att interagera med atomer två gånger innan den mäts. Detta uppnås med hjälp av enkla modifieringar, såsom användning av en spegel i ljusvägen, som reflekterar den enskilda fotonen tillbaka in i den optiska kaviteten.
”Metoden är också kompatibel med befintlig teknik för lågförlust och skalbar tillverkning av omkopplare för att leda fotonen till och från kaviteten”, säger Neil Sinclair, som konsulterades angående genomförbarheten av den experimentella implementeringen.
”Den främsta fördelen med vår nya metod är dess effektivitet, eftersom vår design i princip ger nästan perfekt framgång”, säger Goswami.
”Vår metod uppnår mycket hög trohet utan att kräva högt sofistikerade experimentella system, vilket innebär att den fungerar exceptionellt bra även med optiska kaviteter av låg kvalitet. För att demonstrera dess potential har vi noggrant modellerat protokollets prestanda under realistiska, icke-idealiska experimentella förhållanden, med hänsyn till inneboende fotonspridning och signalförlust.”
Vid användning av kaviteter med måttlig kooperativitet (dvs. ett mått på hur starkt atomer och ljus interagerar inuti dem) visade sig teamets modifierade SC-protokoll uppnå en anmärkningsvärd trohet på 99,9 %. Det är värt att notera att andra kavitetsmedierade metoder, såsom fotonutbytesgrindscheman, krävde kaviteter med betydligt högre kooperativitet för att uppnå jämförbara trohetsnivåer.
”Denna måttliga kooperativitet gör det möjligt att snabbt tillverka kavitetsmirrorer för att bygga upp storleken på kvantdatorn”, säger Sinclair, med hjälp av tekniker som liknar dem som undersökts av Harvards medförfattare Grinkemeyer.
Ett steg mot att realisera ett kvantinternet
I de experiment som forskarna genomförde visade sig deras uppdaterade protokoll övervinna begränsningarna i det ursprungliga SC-protokollet och producera atom-foton-entanglement på ett mer tillförlitligt och effektivt sätt. I framtiden kan det utvärderas ytterligare med hjälp av andra kaviteter och tillämpas för att realisera kvantnätverk.
”Genom att elegant använda en enda foton som interagerar med atom-kavitetssystemet två gånger istället för att förlita sig på separata fotondetekteringar, undviker vi helt oåterkallelig sannolikhetsförlust”, säger Goswami. ”En viktig praktisk implikation av denna design är att en exceptionell entanglement-fidelitet på 0,999 kan uppnås med hjälp av en lågkvalitativ kavitet med en kavitetskooperativitet på bara 34.”
Det reviderade protokollet som introducerades av Goswami, Chien, Jen och deras kollegor kan snart användas för att bygga robusta kvantinterkonnektioner och ansluta olika kvantkomponenter eller -enheter. Robusta kvantinterkonnektioner är avgörande för etableringen av modulära kvantdatorer, där mindre kvantprocessorer kopplas samman för att bilda ett större system.
”Vi föreslog också hur man effektivt kan tillverka storskaliga enkelriktade kvantdatorer med hjälp av effektiv SC”, säger Goswami. ”Kvantinterkonnektioner kommer också att vara mycket viktiga för att bygga ett kvantinternet. Bättre kvantinterkonnektioner mellan kvantminnen kommer att förbättra kvantrepeaternoderna. Robusta kvantinterkonnektioner kommer att vara avgörande mellan kvantminnen, kvantdatorer och kvantsensorer.
”Det kommer att göra kvantinternetapplikationer som distribuerad kvantberäkning, blind kvantberäkning eller distribuerad kvantsensering till verklighet.”
Forskarna planerar nu att anpassa sitt protokoll och tillämpa det på ett bredare spektrum av fysiska system för att ytterligare demonstrera dess potential. Samtidigt söker de aktivt samarbete med kvantingenjörer som skulle göra det möjligt för dem att implementera sitt protokoll på verkliga kvantprocessorer och nätverk.
”Vi hoppas att denna publicitet kommer att hjälpa till med detta, eftersom protokollet i sin nuvarande form är experimentellt genomförbart”, nämnde Sinclair.
Författarna kommer snart också att försöka utvidga omfattningen av sitt protokoll och utforska dess potential för olika tillämpningar. I synnerhet kommer de att försöka använda de högkvalitativa länkar som etablerats med deras protokoll till mer komplexa kvantnätverksarkitekturer och mer avancerade modulära beräkningsuppgifter.
”Parallellt med dessa praktiska tillämpningar planerar vi att utforska protokollet mer grundläggande för att få en djupare förståelse för dess inneboende trovärdighetsbegränsningar och teoretiska gränser”, tillägger Goswami. ”Genom att ta itu med både de tillämpade och grundläggande aspekterna hoppas vi kunna fortsätta att förfina denna metod till ett grundläggande verktyg för det framtida globala kvantinternet.”
Publiceringsinformation
S. Goswami et al, Efficient and High-Fidelity Entanglement in Cavity QED without High Cooperativity, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/n9wg-k6q9. På arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2505.02702
