科學家們只是利用光來傳送信息

他們的研究出現在 自然通訊。

量子點作​​為信息傳輸的小平台

IHFG 負責人兼副發言人 Peter Michler 教授表示：“我們在世界上首次成功地在來自兩個不同量子點的光子之間傳輸量子信息。” Quantenrepeater.Net （QR.N）研究項目。要理解為什麼這很重要，了解溝通是如何運作的會有所幫助。無論某人發送 WhatsApp 消息還是播放視頻，數據始終基於零和一。量子通信遵循類似的想法，但單個光子充當信息載體。零或一由光子的偏振方向（即它們在水平和垂直方向上的方向或兩種狀態的疊加）編碼。由於光子的行為符合量子力學，因此在不留下可檢測痕蹟的情況下無法測量它們的偏振。任何攔截該消息的嘗試都會被暴露。

光纖量子網絡的製備

另一個關鍵問題涉及與當前互聯網基礎設施的兼容性。廉價的量子互聯網將基於現在使用的相同光纖。然而，通過光纖傳播的光只能傳輸有限的距離。傳統信號大約每 50 公里使用光放大器刷新一次。量子信息無法放大或複制，因此這種方法行不通。相反，量子物理學允許信息從一個光子轉移到另一個光子，而信息本身是未知的。這種現象稱為量子隱形傳態。

開髮用於長距離傳輸的量子中繼器

為了利用量子隱形傳態，科學家們正在設計量子中繼器，可以在量子信息消失在光纖中之前重新生成量子信息。這些中繼器將充當量子互聯網的關鍵節點。創建它們非常困難。隱形傳態要求光子的時間和顏色等屬性幾乎相同。這種光子很難產生，因為它們來自不同的來源。 IHFG 科學家、該研究的第一作者 Tim Strobel 表示：“來自不同量子點的光量子從未被傳送過，因為它非常困難。”

作為 QR.N 的一部分，他的團隊開發了發射相干光子的半導體光源。 “在這些半導體島中，有一些固定的能級，就像原子一樣，”斯特羅貝爾說。這種設置允許產生具有特定特性的單個光子。 “我們在德累斯頓萊布尼茨固態和材料研究所的合作夥伴已經開發出差異很小的量子點，”他補充道。這允許在兩個不同的位置產生幾乎相同的光子。

來自不同來源的光子之間的信息隱形傳輸

在斯圖加特大學，研究人員成功地將光子的偏振態從一個量子點傳送到由第二個量子點產生的光子。一個點發射單個光子，另一個點產生一對糾纏的光子。 “糾纏”意味著兩個光子共享單個量子態，即使它們在物理上是分離的。這對光子中的一個光子行進到第二個量子點並與其自身的光子相互作用。當兩者重疊時，它們的重疊將原始光子的信息轉移到糾纏對中較遠的一對。

這一成就的一個關鍵要素是使用“量子頻率轉換器”，這種設備可以調整光子之間的微小頻率差異。這些轉換器是由薩爾大學量子光學專家 Christoph Becher 教授領導的團隊設計的。

實現更遠的距離和更高的精度

“在來自不同量子點的光子之間傳輸量子信息是克服更大距離的關鍵一步，”米希勒解釋道。在這個實驗中，兩個量子點通過約10米的光纖連接起來。 “但我們正在研究更長的距離，”斯特羅貝爾說。

先前的研究表明，量子點光子之間的糾纏可以在穿過斯圖加特市中心 36 公里的傳輸中倖存下來。該團隊還致力於提高傳送的成功率，目前該成功率超過 70%。每個量子點內部的變化仍然會導致光子出現微小的不一致。

“我們希望通過先進的半導體製造技術來減少這種情況，”Strobel 說。 IHFG 團隊負責人兼研究協調員之一 Simone Luca Portalupi 博士補充道：“實現這項實驗是一個長期的目標 – 這些結果反映了多年的奉獻和科學進步。看到基於基礎研究的實驗如何邁出實際應用的第一步，真是令人興奮。”

全國范圍內努力建設量子中繼器技術

量子中繼器的研究獲得聯邦研究、技術和空間部 (BMFTR) 的資助”Quantenrepeater.Net QR.N 網絡由薩爾大學協調，包括來自大學、研究機構和工業界的 42 個合作夥伴，他們合作開發和測試光纖網絡中的量子中繼器技術。該計劃建立在早期“Quantenrepeater.Link (QR.X)”計劃成果的基礎上，也得到了 BMFTR（由 BMBTF 支持）的支持。從 2021 年到 2024 年，在全國范圍內建立量子中繼器技術斯圖加特大學的科學家在這兩項努力中發揮了核心作用。

量子遠程傳輸實驗是在半導體光學和功能接口研究所（IHFG）的領導下進行的，德累斯頓萊布尼茨固態和材料研究所（IFW）和薩爾大學量子光學研究小組也有貢獻。