Physiker der Universitäten von Toronto, Osaka und Toyama stellten das Konzept eines Quantenrepeaters vor, der keine Quantenspeicherzellen verwendet und bei Raumtemperatur arbeiten kann. In Zukunft wird es möglich sein, große Quantennetzwerke zu realisieren.
Wir sagen Ihnen, was die Innovation ist.
/ PxHere / PDWas ist der Unterschied zwischen dem neuen Quanten-Repeater?
Informationen in Quantennetzwerken werden in Photonen codiert. Es ist jedoch ziemlich schwierig, sie über große Entfernungen über Glasfaser zu senden. Mehr als 90% der Partikel gehen in einem Kabel verloren, dessen Länge 50 km überschreitet. Um die effektive Übertragungsentfernung zu erhöhen, arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure an Quanten-Repeatern. Sie helfen, Photonenverlust durch Glasfaserkabel zu verhindern. Bestehende Geräte verwenden jedoch Quantenspeicherzellen wie Ionenfallen, die nur bei starker Kühlung stabil sind.
Solche Entscheidungen
decodieren zuerst die übertragenen Informationen und codieren sie dann erneut zur Übertragung weiter unten in der Kette. Dieser Ansatz schafft eine potenzielle Sicherheitslücke für Angreifer, die Informationen auf einer gefährdeten Site abfangen könnten.
Ein Team von Physikern und Ingenieuren unter der Leitung von Professor Hoi-Kwong Lo konnte dieses Problem lösen. Sie demonstrierten die Machbarkeit der Implementierung eines Photonen-Repeaters, der keine „Zwischen“ -Transformationen erfordert. Beachten Sie, dass die Forscher
das Gerätekonzept bereits 2015 vorgeschlagen haben und es Anfang 2019 experimentell nachweisen konnten.
In diesem Fall wird der Quantenspeicher
durch einen photonischen
Graphenzustand ersetzt . Zwei Computer, die sich an entgegengesetzten Enden der Glasfaserverbindung befinden,
erzeugen eine Quantenverschränkung zwischen ihren Photonen. Nachdem sie sofort viele Photonen zum Repeater geschickt haben. Im Repeater werden diese Partikel in Form eines Graphen dargestellt, in dem
jedes Qubit ein Scheitelpunkt ist. Dann wird eine
Bell-Zustandsmessung an den Photonen durchgeführt. Das Ergebnis der Messung
ist das Design der Partikel in einem verschränkten Zustand.
Vorteile und Herausforderungen
Optische Repeater können Photonen über viel größere Entfernungen übertragen - Sender und Empfänger
können 800 Kilometer voneinander entfernt sein. In diesem Fall bleiben die Repeater bei Raumtemperatur betriebsbereit.
Um solche Ergebnisse im Netzwerk zu erzielen, müssen hochempfindliche optische Detektoren verwendet werden, deren
Quanteneffizienz 60% übersteigt. Von den vorhandenen Geräten sind nur wenige in der Lage, solche Indikatoren herzustellen, während diejenigen, die dazu in der Lage sind,
teuer sind .
Trotz des Fehlers erwarten die Entwickler, dass die neuen optischen Repeater das Bindeglied werden, das endlich die Vereinheitlichung einzelner Quantencomputer und die Schaffung eines sicheren Quanteninternets ermöglicht. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik ändert sich bei der Messung der Eigenschaften eines Photons sein Zustand. Wenn jemand versucht, ein Quantennetzwerk zu belauschen, wird dieser Versuch sofort bemerkt und das Photon „kollabiert“.
Beachten Sie, dass mit dem Aufkommen des Quanteninternets Wissenschaftler auf der Welt eine Reihe anderer Probleme lösen müssen. Laut einer aktuellen
Studie von Mitarbeitern der George Washington University können Hacker die Übertragung von Informationen in Quantennetzwerken stören, indem sie den Verkehr von Drittanbietern in das verschränkte Photonensystem „mischen“. Es gibt noch keinen Schutz gegen diese Art von Angriff, aber die Ingenieure planen, in diese Richtung zu arbeiten.
/ Flickr / Nick Harris / CC BY-NDWas wird noch getan, um das Quanteninternet zu implementieren?
Eine Reihe von Forschern arbeitet an Repeatern mit Ionenfallen. Für sie werden neue Materialien entwickelt, beispielsweise künstliche
Diamanten , die zur Lagerung und Übertragung von Qubits verwendet werden. Synthetischer Diamant kann aufgrund eines Defekts im Kohlenstoffgitter als Quantenspeicher dienen. Darin werden zwei Kohlenstoffatome durch ein beliebiges Atom und einen „leeren Raum“ ersetzt.
Es wird auch an Fehlerkorrekturalgorithmen gearbeitet. Sie codieren die Quantenzustände von Photonen so, dass, wenn ein oder mehrere Teilchen während der Signalübertragung verloren gehen, Informationen von ihnen wiederhergestellt werden können. Es wird vorgeschlagen, verschiedene Methoden zur Fehlerkorrektur zu verwenden, beispielsweise
den Shore-Algorithmus , die
Stein-Codierung , das Prinzip der
Quantenparität und andere.
Alle vorgestellten Technologien befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Daher ist es noch zu früh zu sagen, dass einige von ihnen definitiv im Quanten-Internet verwendet werden. Es tauchen jedoch bereits Testnetzwerke auf: In den nächsten fünf Jahren
sollen in Großbritannien Quanten-Repeater-Stationen gebaut
werden . Andere Länder werden die Initiative wahrscheinlich aufgreifen.
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