Forskare har länge insett att kvantkommunikationssystem skulle överföra kvantinformation mer tillförlitligt och vara immuna mot vissa former av fel om icke-linjära optiska processer användes. Tidigare försök att integrera sådana processer har dock inte fungerat med de extremt låga ljusnivåer som krävs för kvantkommunikation.
Nu har ett team vid University of Illinois Urbana-Champaign förbättrat tekniken genom att basera den icke-linjära processen på en nanofotonisk plattform av indium-gallium-fosfid. Resultatet är betydligt effektivare än tidigare system, vilket innebär att det kräver mycket mindre ljus och fungerar ända ner till enstaka fotoner, den minsta ljusenheten. För första gången finns det en väg framåt för att göra kvantkommunikationssystem med icke-linjär optik möjliga.
”Vårt icke-linjära system överför kvantinformation med 94 % noggrannhet, jämfört med den teoretiska gränsen på 33 % för system som använder linjära optiska komponenter”, säger Kejie Fang, professor i elektro- och datateknik vid Illinois och projektledare. ”Detta i sig visar kraften i kvantkommunikation med icke-linjär optik. Det stora problemet som måste lösas är effektiviteten. Genom att använda en nanofotonisk plattform såg vi en effektivitetsökning som var tillräcklig för att visa att tekniken är lovande.”
Denna forskning har nyligen publicerats i tidskriften Physical Review Letters.
Överföring av kvantinformation över nätverk underlättas av kvantteleporteringsprotokollet. I detta utnyttjas fenomenet kvantförveckling – där två kvantobjekt, vanligtvis enkel fotoner, påverkar varandra även när det inte finns någon uppenbar fysisk koppling mellan dem – för att överföra kvantinformation mellan en sändare och en mottagare utan att överföra den via en kommunikationskanal. Fördelen med detta förfarande är att påverkan från yttre störningar och kanalfel minskas avsevärt.
Det finns två faktorer som begränsar kvantteleportationens prestanda. För det första medför användningen av standardmässiga, linjära optiska komponenter inneboende oklarheter i överföringen. För det andra tillverkas de entangled fotoner med en ofullkomlig process som är utsatt för fel och överflödigt brus. Det är särskilt vanligt att entanglementkällor producerar mer än ett par fotoner åt gången, vilket gör det oklart om de två som används i teleportationen verkligen är entangled.
”Multifotonbrus förekommer i alla realistiska sammanflätningskällor och är ett allvarligt problem för kvantnätverk”, säger Elizabeth Goldschmidt, professor i fysik vid Illinois och medförfattare till studien. ”Det som gör icke-linjär optik så attraktiv är att den kan mildra effekten av multifotonbrus tack vare den underliggande fysiken, vilket gör det möjligt att arbeta med ofullkomliga sammanflätningskällor.”
Icke-linjära optiska komponenter gör att fotoner med olika frekvenser kombineras och skapar nya fotoner med nya frekvenser. För kvantteleportering används den icke-linjära processen ”sumfrekvensgenerering” (SFG), där frekvenserna hos två fotoner läggs samman för att bilda en ny foton. De två ursprungliga fotonerna måste dock ha specifika startfrekvenser för att processen ska kunna ske.
När SFG används i kvantteleportering fortsätter protokollet inte om två fotoner med samma frekvens detekteras. Detta filtrerar bort den primära typen av brus i de flesta sammanflätade fotonkällor och möjliggör mycket högre teleporteringsfidelitet än vad som annars skulle vara möjligt. Den största nackdelen är att en SFG-omvandling sker med mycket låg sannolikhet, vilket gör teleporteringsprocessen mycket ineffektiv.
”Forskare har känt till detta länge, men det har inte utforskats fullt ut på grund av den låga sannolikheten för framgångsrik SFG”, säger Fang. ”Tidigare var det bästa resultatet 1 på 100 miljoner. Vår prestation är att vi har uppnått en 10 000-faldig ökning av omvandlingseffektiviteten till 1 på 10 000 med en nanofotonisk plattform.”
Forskarna är optimistiska om att kvantteleportering med icke-linjära optiska komponenter kan göras ännu effektivare med vidare utveckling. De tror att det kommer att hitta användning i andra kvantkommunikationsprotokoll, inklusive entanglement swapping.
Mer information: Joshua Akin et al, Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.160802. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.15437
