På vej til kvante netværk

Fysikere på LMU, sammen med kolleger på Saarland University, har med succes demonstreret transport af en sammenfiltret tilstand mellem et atom og en foton via en optisk fiber over en afstand på op til 20 km - og dermed sat en ny rekord.

Forvikling beskriver en meget bestemt type kvantetilstand, som ikke tilskrives en enkelt partikel alene, men som deles mellem to forskellige partikler. Det forbinder uigenkaldeligt deres efterfølgende skæbner - uanset hvor langt fra hinanden de er - hvilket berømt fik Albert Einstein til at kalde fænomenet som "uhyggelig handling på afstand". Forvikling er blevet en hjørnesten i nye teknologier baseret på effekter på kvanteplan og er distribution over lange afstande et centralt mål i kvantekommunikation. Nu er LMU -forskere ledet af fysiker Harald Weinfurter, i samarbejde med et team på Saarlands universitet i Saarbrücken, har vist, at den sammenfiltrede tilstand af et atom og en foton kan transmitteres via en optisk fiber (som dem, der bruges i telekommunikationsnet) over en afstand på op til 20 km. Den tidligere rekord var 700 meter. "Forsøget repræsenterer en milepæl, for så vidt den tilbagelagte afstand bekræfter, at kvanteinformation kan distribueres i stor skala med lidt tab, "siger Weinfurter." Vores arbejde udgør derfor et afgørende skridt mod den fremtidige realisering af kvantenetværk. "

Kvantnetværk består i det væsentlige af kvantehukommelser (bestående af et eller flere atomer, for eksempel), der fungerer som noder, og kommunikationskanaler, hvor fotoner (lette kvanta) kan formeres for at forbinde knudepunkterne. I deres eksperiment, forskerne sammenfiltrede et rubidiumatom med en foton, og var i stand til at opdage den sammenfiltrede tilstand-som nu deler kvanteegenskaberne for begge partikler-efter dens passage gennem en 20 km spole optisk fiber.

Det største problem, som eksperimenterne stod overfor, starter med egenskaberne ved rubidiumatomet. Efter målrettet ophidselse, disse atomer udsender fotoner med en bølgelængde på 780 nanometer, i det nær-infrarøde område af spektret. "I en optisk fiber lavet af glas, lys ved denne bølgelængde absorberes hurtigt, "Weinfurter forklarer. Konventionelle telekommunikationsnetværk bruger derfor bølgelængder omkring 1550 nanometer, hvilket markant reducerer tab i transit.

Naturligvis, denne bølgelængde ville også forbedre eksperimenternes chancer for succes. Så Matthias Bock, medlem af gruppen i Saarbrücken, bygget det, der kaldes en kvantefrekvensomformer, der var specielt designet til at øge bølgelængden af ​​de udsendte fotoner fra 780 til 1520 nanometer. Denne opgave udgjorde i sig selv en række ekstremt krævende tekniske udfordringer. For det var bydende nødvendigt at sikre, at konvertering fra kun en enkelt foton til kun en anden foton sker, og at ingen af ​​de andre egenskaber ved den sammenfiltrede tilstand, især polariseringen af ​​foton, blev ændret under konverteringsprocessen. Ellers, den sammenfiltrede tilstand ville gå tabt. "Takket være brugen af ​​denne meget effektive konverter, vi var i stand til at opretholde den sammenfiltrede tilstand over et meget længere område ved telekommunikationsbølgelængder, og derfor at transportere de kvanteoplysninger, som de bærer over lange afstande, "siger Weinfurter.

I det næste trin, forskerne planlægger at frekvensomforme lyset fra et andet atom, hvilket skulle gøre dem i stand til at generere sammenfiltring mellem de to atomer over lange telekommunikationsfibre. Glasfiberkablets egenskaber varierer afhængigt af faktorer såsom temperaturen og belastningen, de udsættes for. Af denne grund, teamet agter først at udføre dette eksperiment under kontrollerede forhold i laboratoriet. I tilfælde af succes, der vil blive foretaget feltforsøg, der også tilføjer nye noder til et voksende netværk. Trods alt, selv lange ture kan lykkes fuldstændigt ved at tage et skridt ad gangen.