Ett växande antal kvantingenjörer världen över har försökt skapa storskaliga kvantnätverk, som består av flera sammankopplade kvantdatorer eller enheter som utbyter information med varandra. Om dessa nätverk lyckas förverkligas skulle det potentiellt kunna bana väg för nya, snabba och säkra kommunikationssystem, eller till och med en kvantversion av internet.
En av de största utmaningarna vid utvecklingen av storskaliga kvantnätverk är att säkerställa att mikrovågssignalernas kvantegenskaper kan överföras på ett tillförlitligt sätt från en plats till en annan. Dessa signaler är mycket känsliga för slumpmässiga energifluktuationer förknippade med värme. Därför fungerar de system som hittills har introducerats vanligtvis inuti kylmaskiner som kallas utspädningskylare.
Forskare vid Walther-Meißner-Institutet (WMI) och Tekniska universitetet i München har introducerat en ny metod för att framgångsrikt överföra kvantmikrovågstillstånd mellan två separata utspädningskylare som är anslutna via en varmare supraledande kabel, med temperaturer upp till 4 K.
Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, ingick i projektet Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS).
”Vår artikel inspirerades av en originell idé om att visa att mikrovågskommunikation kan fungera i kvantregimen och över makroskopiska avstånd, bortom begränsningarna hos ett chip i millimeterstorlek”, berättade Kirill G. Fedorov, gruppledare vid WMI, för Phys.org.
”Denna idé har sitt ursprung i grundläggande begrepp om entanglementsfördelning som utvecklats inom kvantoptik och stimuleras av de senaste framstegen inom kvantberäkning med supraledande kretsar som arbetar vid mikrovågsfrekvenser.”
Cryolink-konstruktionen och dess centrala kylnod.
Bild: Michael Renger vid Walther-Meißner-Institutet.
Spridning av mikrovågsentanglade tillstånd via relativt varma supraledare
Det primära målet med denna studie var att framgångsrikt realisera en kryogen länk som kopplade samman enskilda kylningsenheter via supraledande kablar. Dessutom ville forskarna etablera en kvantversion av mikrovågs-LAN (Q-LAN).
Vårt huvudsakliga experimentella mål var att bygga en kryogen länk som kopplade samman enskilda kryostater med supraledande kvantenheter, vilket skulle möjliggöra trådbunden överföring av signaler vid mikrovågsbärfrekvenser över makroskopiska avstånd och fungera som ett mikrovågs-Q-LAN.
”Vi visade att mikrovågsentanglade signaler kan fortplanta sig utan att förlora sina kvantegenskaper genom relativt varma mikrovågskanaler (superledande koaxialkablar) vid temperaturer upp till 4 Kelvin”, säger Wun K. Yam, doktorand vid WMI och försteförfattare till artikeln.
”Kvantförveckling är normalt mycket känslig för brus, såsom termiskt brus från den omgivande varma miljön, och man skulle naivt förvänta sig att kvantförveckling vid frekvenser runt 5 GHz skulle försvinna under spridningen genom den termiska kanalen vid 4 Kelvin med motsvarande dussintals termiska fotoner. Situationen förändras dock när en sådan kanal är supraledande och har extremt låga förluster i storleksordningen dB/m.”
Teamet fann att superledande kablar av niob-titan är väl lämpade för att transportera kvantmikrovågstillstånd även vid förhöjda kryogena temperaturer. Detta beror på att även om kablarna innehåller många slumpmässiga termiska fluktuationer (fotoner), blandas dessa fluktuationer endast in i den utbredande mikrovågssignalen genom förluster i kanalen (t.ex. när en del av signalen absorberas eller sprids).
Därför kunde forskarna bevara kvantförvecklingen över nätverket genom att använda högkvalitativa supraledande kablar som förhindrade eller begränsade förlusterna vid mikrovågsutbredningen.
”Inom fysiken kallas detta fluktuations-dissipationssatsen och vi har visat dess praktiska betydelse för kvantnätverk”, förklarade Fedorov.
”För dessa experiment har vi byggt och använt ett unikt prototypsystem bestående av tre kryostater: två utspädningskylare med kvantnoder som når temperaturer på cirka 20–50 mK och en mellanliggande kall nod med motsvarande lägsta temperaturer på cirka 3 K. Kryostaterna var anslutna via en flerskikts kryolänk med flera supraledande koaxialkablar inuti.”
Den framgångsrika teleporteringen av koherenta mikrovågstillstånd
I det kvantsystem de utvecklade kunde forskarna demonstrera ett kommunikationsprotokoll som kallas kvantteleportering. Detta är ett protokoll som möjliggör transport av koherenta mikrovågstillstånd från en enhet till en annan, utan att skicka dem direkt via kablar.
”Detta protokoll kräver en entanglementsresurs och ett komplext schema för lokala mätningar med klassisk feedforward-kommunikation”, sade W. K. Yam.
”Vi demonstrerade det framgångsrikt genom att mäta ett så kallat fidelity-mått, vilket kan förstås som ett mått på likheten eller sannolikheten för att det teleporterade tillståndet överensstämmer med det ursprungliga. En fidelity på 1 innebär att teleporteringen är perfekt, vilket dock är omöjligt i experiment på grund av allestädes närvarande experimentella brister.
”Att nå fidelitetsvärden över en viss gräns (en klassisk tröskel) innebär dock redan att teleporteringen presterar bättre än någon klassisk kommunikation skulle göra när det gäller att överföra okända tillstånd.”
Den klassiska fidelitetströskeln för teleportering av okända koherenta mikrovågstillstånd är 50 %. Men med hjälp av kvantprotokollet kunde W. K. Yam och hans kollegor teleportera tillstånd mellan avlägsna kryostater med en trohet på 72,3 % vid 1 Kelvin och 59,9 % vid 4 Kelvin.
Möjliggör realisering av skalbara kvantdatornätverk
De initiala resultaten som samlats in av detta forskarteam är mycket lovande och belyser potentialen i deras föreslagna tekniska strategi för realisering av kvantkommunikationssystem. Dessutom visade teamet att kvantprotokoll kunde överföra mikrovågstillstånd mellan anslutna enheter mer effektivt än sina klassiska motsvarigheter.
”Vi uppnådde distribution av kvantförveckling vid mikrovågsfrekvenser över heta kanaler vid 4 Kelvin och utnyttjande av dessa kvantkorrelationer (som är starkare än några klassiska!) för kvantteleportering av koherenta mikrovågstillstånd”, sade Fedorov.
”De möjliga implikationerna av dessa resultat är ganska mångsidiga. En av dem är säkerligen möjligheten att koppla samman enskilda, avlägsna supraledande kvantnoder i ett stort distribuerat nätverk, vilket kan användas för olika ytterligare uppgifter mot skalbar (distribuerad) kvantberäkning eller kvantsensering.”
I framtiden kan de senaste resultaten som demonstrerats i Fedorovs grupp öppna nya möjligheter för realiseringen av kvantnätverk, distribuerade kvantsystem och till och med kvantkommunikationssystem som fungerar vid högre temperaturer.
Samtidigt skulle deras system kunna användas för att demonstrera mikrovågsbaserade protokoll för kvantnyckeldistribution, kryptografiska tekniker som skulle kunna möjliggöra säkrare kommunikation.
”Våra framtidsplaner inkluderar en möjlig övergång från styva mikrovågsförbindelser vid millikelvin till flexibla mikrovågslinjer kylda med flytande helium för att demonstrera distributionen av kvantförveckling över mycket mer praktiskt relevanta nätverk”, tillägger Fedorov.
”Här är den största utmaningen att utveckla kryogena tekniska lösningar som är kompatibla med moderna utspädningskryostater och ändå uppnår tillräckligt hög trohet vid överföring av kvanttillstånd för att förbli kompatibla med de stränga kraven i moderna kvantberäkningsprotokoll.
I slutändan är vår vision att föra kvantmikrovågskommunikation direkt till rumstemperatur och utomhuskanaler för att möjliggöra mikrovågsnyckeldistribution över frekvensområden som är kompatibla med 5G/6G-standarder.”
Publiceringsuppgifter
W. K. Yam et al, Quantum Teleportation over Thermal Microwave Network, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/n8j9-63mz.
