De wereld is een stap dichter bij het veiligstellen van kwantumcommunicatie op mondiale schaal

Onderzoekers van het Institute for Quantum Computing (IQC) van de Universiteit van Waterloo hebben twee Nobelprijswinnende onderzoeksconcepten gecombineerd om het veld van kwantumcommunicatie vooruit te helpen.

Wetenschappers kunnen nu op efficiënte wijze bijna perfect verstrengelde fotonparen produceren uit quantum dot-bronnen. Het artikel, “Oscillerende optische beltoestand van een halfgeleider-kwantumdot voor kwantumsleuteldistributie,” Het is gepubliceerd in Communicatiefysica

Verstrengelde fotonen zijn lichtdeeltjes die zelfs over grote afstanden met elkaar verbonden blijven, en de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2022 erkende experimenten over dit onderwerp. Door verstrengeling te combineren met kwantumdots, een technologie die wordt erkend door de Nobelprijs voor de Scheikunde van 2023, wil het IQC-onderzoeksteam het proces verbeteren van het creëren van verstrengelde fotonen, die een breed scala aan toepassingen hebben, waaronder veilige communicatie.

“De combinatie van een hoge mate van verstrengeling en hoge efficiëntie is essentieel voor opwindende toepassingen zoals het distribueren van kwantumsleutels of kwantumrepeaters, waarvan wordt verwacht dat ze de afstand van veilige kwantumcommunicatie naar een mondiale schaal zullen vergroten of kwantumcomputers op afstand met elkaar zullen verbinden”, aldus dr. . Michael Reimer is hoogleraar IQC en afdeling Elektrotechniek en Computertechniek aan de Universiteit van Waterloo.

“Eerdere experimenten hebben alleen een vrijwel perfecte verstrengeling of hoge efficiëntie gemeten, maar wij zijn de eersten die beide omstandigheden bereiken met behulp van een kwantumdot.”

Door halfgeleiderkwantumdots in een nanodraad te integreren, creëerden de onderzoekers een bron die bijna perfect verstrengelde fotonen produceert, 65 keer efficiënter dan eerder werk.

Deze nieuwe bron, ontwikkeld in samenwerking met de National Research Council of Canada in Ottawa, kan met lasers worden gestimuleerd om op verzoek verstrengelde paren te genereren. De onderzoekers gebruikten vervolgens enkele fotondetectoren met hoge resolutie van Single Quantum in Nederland om de mate van verstrengeling te vergroten.

“Historisch gezien hebben quantum dot-systemen een probleem gehad dat 'fine-structure partitioning' wordt genoemd, wat ervoor zorgt dat de verstrengelde toestand in de loop van de tijd oscilleert. Dit betekent dat metingen die zijn gedaan met behulp van een langzaam detectiesysteem zullen voorkomen dat verstrengeling wordt gemeten, “zei Matteo Benacchetti, een van de onderzoekers. de quantum dot-onderzoekers. Ph.D. Student aan het IQC en de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek in Waterloo.

“We hebben dit overwonnen door onze kwantumstippen te combineren met een zeer snel en nauwkeurig detectiesysteem. We kunnen in wezen een tijdstempel nemen van hoe de verstrengelde toestand er tijdens de oscillaties bij elke stip uitziet, en dat is waar we perfecte verstrengeling hebben.”

Om toekomstige communicatietoepassingen onder de aandacht te brengen, werkten Reimer en Benacchetti samen met Dr. Norbert Lutkenhaus en Dr. Thomas Jennewein, beiden IQC-faculteitsleden en professoren in Waterloo's Departement Natuurkunde en Sterrenkunde, en hun teams.

Met behulp van de nieuwe quantum dot-verstrengelingsbron simuleerden de onderzoekers een veilige communicatiemethode die bekend staat als quantum key distribution, wat bewijst dat de quantum dot-bron veelbelovend is in de toekomst van veilige kwantumcommunicatie.