Kvantekommunikation:lav to fra én

I fremtiden, kvantefysik kan blive garanten for sikker informationsteknologi. For at opnå dette, individuelle lyspartikler - fotoner - bruges til sikker transmission af data. Fund af fysikere fra Max Planck Institute for Solid State Research kunne spille en nøglerolle. Forskerne stødte ved et uheld på en lyskilde, der genererer et fotonpar ud fra en elektrons energi. En af disse lyspartikler har potentialet til at tjene som en bærer af den skrøbelige kvanteinformation, den anden, som en budbringer for at give forudgående meddelelse om sin tvilling.

I modsætning til kvantekommunikation, en kok har den luksus at kunne se, om alle de ingredienser, han eller hun skal bruge til en opskrift, er i skabet. Trods alt, mel bliver ikke dårligt i det øjeblik du kigger på det. En fysiker, der forsøger at teste, om en procedure til at overføre kvanteinformation har fungeret som planlagt, er i en meget vanskeligere position. Kvanteobjekter ændrer deres tilstand, når de observeres, altså målt. I kvantekommunikation, dette gør det vanskeligt at kontrollere den information, der transmitteres af fotoner. Men det er den kritisk vigtige pointe. Enhver kontakt med miljøet kan ødelægge den kvanteinformation, der transporteres af fotoner, og derudover kilder til individuelle lyspartikler genererer ofte enkelte fotoner kun meget uregelmæssigt. Hvordan garanterer du, at en foton er på vej uden at måle den? Par af fotoner er løsningen. Én foton kan muligvis tjene som en budbringer for sin tvilling.

En uventet kilde til fotonpar

Forskere ved Max Planck Institute for Solid State Research har nu opdaget en uventet kilde til sådanne fotonpar:et scanning tunneling mikroskop. Forskere bruger normalt et mikroskop af denne art til at studere overfladerne af ledende eller halvledende materialer. Mikroskopet er baseret på en effekt kendt som kvantetunnelering. Dette beskriver, hvordan elektroner har en vis sandsynlighed for at passere gennem en barriere, som ifølge klassisk fysik, de ville normalt ikke kunne krydse. I et scanningstunnelmikroskop, en spænding påføres en metalspids, får elektroner til at tunnelere over en kort afstand til en prøve. Hvis en elektron mister energi under denne tunnelproces, der produceres lys.

Det er netop dette lys, Stuttgart-fysikerne har undersøgt i en årrække. Deres arbejde har nu ført til en overraskende observation:under tunnelsejling, ud over individuelle lyspartikler, Der dannes også fotonpar, med en kurs på 10, 000 gange højere end teori forudsiger. "Ifølge teorien, sandsynligheden for at et fotonpar dannes er så lav, at vi aldrig burde se det, " forklarer videnskabsmand Christopher Leon. "Men vores eksperiment viser, at fotonpar bliver genereret med en meget højere hastighed. Det var en kæmpe overraskelse for os."

Fysikerne målte fotonparrene ved hjælp af to detektorer, giver dem mulighed for at måle tidsintervallet mellem de ankommende fotoner. "I det øjeblik, hvor et fotonpar dannes i et tunnelkryds, de er mindre end 50 billioner af et sekund fra hinanden, " forklarer den førende videnskabsmand Klaus Kuhnke. For nu, det er umuligt at sige, om fotonerne faktisk produceres samtidigt eller hurtigt efter hinanden. Opløsningen af ​​detektorerne er endnu ikke høj nok.

Nye applikationer til tunnelkryds

Resultaterne åbner op for nye applikationer inden for fotonik og kvantekommunikation til tunnelforbindelser. Forskere kender allerede til processer, der genererer fotonpar, men de fleste af dem anvender intenst laserlys. I modsætning, metoden udviklet af Max Planck-forskerne i Stuttgart er rent elektronisk.

Ud over, de nødvendige komponenter er meget små, og processen foregår på atomskala. Det betyder, at den nye lyskilde også kan bruges i fremtidige generationer af computerchips, udskiftning af elektroniske komponenter med optiske. En fordel ved at anvende fotoner er, at de lover hurtig og tabsfri datatransmission. Fotonparrene i forsøget udført af Stuttgart-forskerne var ekstremt hurtige, men det ultrahøje vakuum og de meget lave temperaturer, som eksperimentet kræver, er fortsat en praktisk udfordring.

Det næste skridt for forskerne er at finde ud af, om måling af en foton direkte påvirker den andens tilstand. Hvis så, lette partikler ville blive viklet ind. Sammenfiltrede partikler af denne art er afgørende i kvantekryptografi. Resultaterne rejser også grundlæggende spørgsmål om, hvordan fotonpar dannes. Indtil nu, processen er næsten blevet overset fra en teoretisk baggrund. "Det faktum, at fotonpar genereres, indikerer, at en kompliceret proces skal finde sted, " siger teoretiker Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Direktør for Max Planck Institute for Solid State Research, er enig i, at processen er spændende:"Det er spændende, fordi det åbner et nyt perspektiv på, hvordan lys produceres."