Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) tackle en af de mest komplekse udfordringer i kvanteinformationens verden – hvordan man opretter pålidelige, skalerbare netværk, der kan forbinde kvantesystemer over afstande.
Deres arbejde har resulteret i to publikationer i Fysiske gennemgangsbreve og Videnskab fremmerhvilket bringer os et skridt tættere på at realisere store netværksanvendelsessystemer eller endda kvanteinternet.
Forskningsteamet, der inkluderer fakultetsmedlemmer fra RPI Department of Physics, Applied Physics og Astronomy og Department of Computer Science, ledes af adjunkt Xiangyi Meng, Ph.D. Deres forskning fokuserer på at designe kvantenetværk, der bruger sammenfiltring – et fænomen, hvor kvantepartikler bliver mystisk korrelerede.
Disse sammenfiltrede partikler er grundlaget for kvantekommunikation, hvilket muliggør hurtig, sikker overførsel af kvantedata uden risiko for aflytning. Men udfordringen er, at når et par sammenfiltrede partikler er brugt til kommunikation, forsvinder sammenfiltringen, hvilket efterlader netværket ubrugelig til fremtidige opgaver.
Det er her RPI -teamets gennembrud kommer ind. Deres forskning demonstrerer en ny strategi, der kan løse dette problem, hvilket sikrer, at kvantenetværk forbliver funktionelle ved at genopfylde ny sammenfiltring. Ved at bruge en smart “brodannelse” tilgang, der tilføjer redundans til netværket, har de vist, at det er muligt at opretholde stabil kommunikation uden at overbelaste systemet.
Et af de mest spændende aspekter af deres arbejde er introduktionen af en “multiplexing” -strategi. I stedet for at stole på en enkelt sammenfiltret sti for at transmittere information, bruges flere stier samtidigt. Denne redundans bekæmper støj og ufuldkommenheder, der er forbundet med kvantekommunikation, hvilket sikrer, at sammenfiltring kan etableres pålideligt, selv under mindre end ideelle forhold.
Derudover kan denne strategi vise sig at være endnu mere effektiv i kvantenetværk end den gør i klassiske systemer, hvilket giver en tydelig fordel for fremtidig kvantekommunikation.
“Ved at sikre, at kvantenetværk kan fungere pålideligt, når de vokser i kompleksitet, åbner vores forskning nye muligheder for fremtiden for kvanteinformation,” sagde Meng.
“Dette er et afgørende skridt mod at realisere store kvantesystemer, hvor kvanteinformation kan behandles og deles sikkert, og låser mere sofistikerede netværksfunktionaliteter. Mulighederne hos RPI giver os mulighed for at tage dristige trin på dette felt, hvor vi ikke kun kan skubbe grænserne for kvantevidenskab, men også træne den næste generation af forsker for at forme teknologiens fremtid.”
Dette arbejde har vidtrækkende konsekvenser, især da større virksomheder som IBM fremmer deres kvante computingindsats. Efterhånden som kvanteteknologier bliver mere kraftfulde, vil et netværk af sammenkoblede chips, der kan håndtere enorme mængder kvantedata, være vigtige.
RPIs forskning lægger grundlaget for disse fremtidige kvantesystemer, hvilket til sidst kan føre til hurtigere, mere sikker kommunikation mellem kvantebehandlingsenheder.
Ud over dette teoretiske arbejde er Meng dedikeret til at uddanne den næste generation af kvanteforskere. Han er en del af et team, der har forelagt et forslag til en National Science Foundation Research Praineship om at uddanne studerende om kvanteberegning.
Meng er også en del af Co-Design Center for Quantum Advantage (C2QA) mellem Brookhaven National Laboratory og RPI, som er et stort afdeling for energiinitiativ, der fokuserer på at udvikle de værktøjer, der er nødvendige for at bygge fejltolerante kvantesystemer.
Som en del af sit engagement i praktisk læring leder han et forskningslaboratorium på RPI, hvor studerende har mulighed for at arbejde direkte med kvantecomputere og få praktisk erfaring på området.
Denne nye forskning repræsenterer et kritisk trin i udviklingen af kvantekommunikation og beregningssystemer. Det er et lille, men kraftfuldt stykke af puslespillet, der en dag kunne låse stien op til storskala kvantearkitekturer og muliggøre den næste generation af kvanteteknologier.