Detektering af fotoner, der transporterer qubits uden at ødelægge kvanteinformation

Selvom kvantekommunikation er tryksikker, det er indtil videre ikke specielt effektivt. Det ønsker forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics at ændre på. De har udviklet en detektionsmetode, der kan bruges til at spore kvantetransmissioner. Kvanteinformation sendes over lange afstande i form af fotoner (dvs. lette partikler). Imidlertid, disse går hurtigt tabt. At finde ud af efter kun en delvis afstand, om en sådan foton stadig er på vej til sin destination eller allerede er gået tabt, kan reducere den indsats, der kræves for informationsbehandlingen væsentligt. Dette ville gøre applikationer såsom kryptering af pengeoverførsler meget mere praktiske.

Kvantekryptografi kan snart blive den foretrukne metode til at sikre datatrafikken fra offentlige myndigheder eller banker. Imidlertid, inden for en overskuelig fremtid, det vil sandsynligvis ikke beskytte vores e-mail-trafik mod ubudne læsere. Udveksling af qubits, den mindste enhed af kvanteinformation, er simpelthen alt for kompleks. Et af de største problemer:Lette partikler, der bærer qubits over lange afstande og let afbøjes fra deres vej i luften eller absorberes i glasfibre - og pludselig, kvanteinformationen går tabt. Fordi de fleste fotoner går tabt i en transmission over omkring 100 km, tusindvis af fotoner ville skulle transmitteres for direkte at transmittere kun en enkelt qubit over denne afstand. Transmission af kvanteinformation kan således blive en langvarig affære, selvom lyset rejser meget hurtigt og kan tilbagelægge afstanden fra München til Berlin (omkring 600 km) på kun omkring to millisekunder.

Detektoren læser ikke kvanteinformationen

Et team omkring Dominik Niemietz og Gerhard Rempe ved Max Planck Institute of Quantum Optics har nu udviklet en fysisk protokol, der kan indikere, om qubit'en allerede er gået tabt på mellemstationer af kvantetransmissionen. "Hvis dette er tilfældet, senderen kan sende qubit'en igen med væsentligt mindre forsinkelse, end hvis tabet kun bemærkes i den modtagende ende, " siger Dominik Niemietz, der udviklede detektoren til fotoniske qubits (som det kaldes i teknisk jargon) som en del af sin afhandling. "Det er vigtigt, at vi ikke ødelægger qubit'en. Vi detekterer således kun qubit-fotonen og måler den ikke." Med andre ord:Detektoren registrerer, om fotonen er der eller ej, men læser ikke kvanteinformationen indkodet i den. Det svarer til at spore en forsendelse online uden at kunne se inde i pakken. "Dette er afgørende, fordi kvantefysikkens love udelukker kopiering af en qubit 1 til 1 - det er det, kvantekryptografi er baseret på." Kvantepost kan således ikke genopfriskes på en mellemstation – hverken af ​​dem, der har installeret sender og modtager, ej heller af spioner.

To resonatorer og et atom muliggør detektion af qubit

For at detektere en foton, der bærer kvanteinformation uden at læse selve beskeden, fysikerne arbejder med et atom, som de fanger i to vinkelrette resonatorer. De to resonatorer består hver af to spejle, så atomet er omgivet af fire spejle arrangeret i et kryds. En af resonatorerne er designet på en sådan måde, at atomet genkender tilstedeværelsen af ​​fotonen ved en ekstrem blid berøring:Resonatoren er placeret for enden af ​​en optisk fiber, gennem hvilken en foton når den – eller ej. Når fotonen ankommer der, det reflekteres og ændrer atomets tilstand. Det, der er vigtigt her, er, at kvanteinformationen forbliver upåvirket af dette - på samme måde som pakkeleverandører efterlader beskeder, hvis modtagerne ikke er hjemme og tager pakken væk igen. Fotonen påvirker atomets tilstand. I processen, det atomare spin ændres - svarende til en snurretop, hvis rotation vendes 180 grader fra det ene øjeblik til det andet. I modsætning, kvanteinformationen er pakket ind i oscillationsplanet – fysikere taler om polarisering – af fotonen.

Men hvordan kan vi se, om fotonen var der og ændrede atomets tilstand eller ej? Dette er opgaven for den anden resonator. Hvis ingen foton ankommer til detektoren på det forventede tidspunkt, Garching-fysikerne kan få atomet til at lyse ved at bestråle det med laserlys. De kan let registrere gløden via det andet spejlpar og med en klassisk fotodetektor. Hvis en foton reflekteres ved den anden resonator, ændring af atomets tilstand, dette virker ikke, og atomet forbliver mørkt.

Fra 14 kilometer, detektoren accelererer kvantekommunikation

Max Planck-forskerne har med modelberegninger vist, at detektionen af ​​fotoner, der transporterer qubits, gør kvantekommunikation mere effektiv. Derfor, den detektor, de brugte til deres eksperiment, ville accelerere transmissionen af ​​kvanteinformation på en større afstand end 14 kilometer. "En detektor til fotoniske qubits kan også være nyttig på kortere afstande, " siger Pau Farrera, som var en del af forskerholdet. Imidlertid, for at dette kan ske, detektionen skulle fungere endnu mere pålideligt, end den gjorde i det nuværende eksperiment. "Dette er ikke et grundlæggende problem, men derimod kun et teknisk, " forklarer fysikeren. Effektiviteten af ​​detektoren lider i øjeblikket primært, fordi resonatoren kun reflekterer omkring en tredjedel af de indkommende fotoner. Kun i tilfælde af en refleksion efterlader en foton et spor i atomet. "Men, vi kan øge denne effektivitet til næsten 100 procent ved at forbedre fremstillingen af ​​resonatorerne."

En detektor, der pålideligt registrerer en fotonisk qubit, ville ikke kun være nyttig til at spore kvanteinformation under transmission, men kunne også bekræfte ankomsten af ​​kvantepost til dens destination. Dette er fordelagtigt, hvis de oplysninger, der er kodet i fotonet, skal behandles yderligere på en kompleks måde - f.eks. hvis det skal overføres til sammenfiltrede atomer. Entanglement er et kvantemekanisk fænomen, der kan bruges til at kryptere og behandle data. I denne proces, to rumligt vidt adskilte partikler bliver til en enkelt kvanteentitet. Ændringer i den ene partikel fører således direkte til ændringer i den anden. "At skabe sammenfiltring er komplekst, siger Gerhard Rempe, Direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics. "Du bør kun bruge den til at behandle en qubit, hvis du er sikker på, at denne qubit er der."

At demonstrere, hvordan kvantepostsporing kunne bruges i informationsbehandling, er et muligt mål for fremtidige eksperimenter i Gerhard Rempes gruppe:"Vi vil gerne bruge detektoren til kvantekommunikation mellem vores Institut i Garching og et mere fjernt sted. F.eks. at tage skridtet fra vores laboratorium til praktisk anvendelse, " siger Max Planck-direktøren. "På denne måde, vi kommer igen lidt tættere på vores store langsigtede mål, kvanteinternettet."