Naukowcy z LMU i Saarland University uwikłali dwie pamięci kwantowe w 33-kilometrowe połączenie światłowodowe – rekord i ważny krok w kierunku Internetu kwantowego.
Sieć, w której transmisja danych jest doskonale zabezpieczona przed włamaniami? Jeśli fizycy postawią na swoim, stanie się to pewnego dnia rzeczywistością za pomocą zjawiska mechaniki kwantowej znanego jako splątanie. W przypadku cząstek splątanych zasada brzmi: jeśli mierzysz stan jednej z cząstek, to automatycznie poznasz stan drugiej. Nie ma znaczenia, jak daleko od siebie są splątane cząstki. Jest to idealny stan do przesyłania informacji na duże odległości w sposób uniemożliwiający podsłuchiwanie.
Zespół kierowany przez fizyków prof. Haralda Weinfurtera z LMU i prof. Christopha Bechera z Saarland University połączył teraz dwie atomowe pamięci kwantowe za pomocą 33-kilometrowego połączenia światłowodowego. Jest to dotychczas najdłuższa odległość, jaką ktokolwiek kiedykolwiek zdołał zaplątać za pomocą światłowodu telekomunikacyjnego. W splątaniu mechaniki kwantowej pośredniczą fotony emitowane przez dwie pamięci kwantowe. Decydującym krokiem było przesunięcie przez naukowców długości fali emitowanych cząstek światła do wartości wykorzystywanej w konwencjonalnej telekomunikacji. „Dzięki temu byliśmy w stanie znacznie zmniejszyć utratę fotonów i stworzyć splątane pamięci kwantowe nawet na długich dystansach światłowodu” – mówi Weinfurter.
Ogólnie rzecz biorąc, sieci kwantowe składają się z węzłów poszczególnych pamięci kwantowych, takich jak atomy, jony lub defekty w sieciach krystalicznych. Węzły te są w stanie odbierać, przechowywać i przesyłać stany kwantowe. Pośredniczenie między węzłami można osiągnąć za pomocą cząstek światła, które są wymieniane albo drogą powietrzną, albo w sposób ukierunkowany za pośrednictwem połączenia światłowodowego. W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystują system składający się z dwóch optycznie uwięzionych atomów rubidu w dwóch laboratoriach na terenie kampusu LMU. Obie lokalizacje są połączone 700-metrowym kablem światłowodowym, który biegnie pod Geschwister Scholl Square przed głównym budynkiem uniwersytetu. Dodając dodatkowe włókna na cewkach, można uzyskać połączenia o długości do 33 kilometrów.
Impuls laserowy wzbudza atomy, po czym samorzutnie wracają do stanu podstawowego, emitując w ten sposób foton. Ze względu na zachowanie momentu pędu spin atomu jest splątany z polaryzacją emitowanego przez niego fotonu. Te cząstki światła można następnie wykorzystać do stworzenia kwantowo-mechanicznego sprzężenia dwóch atomów. W tym celu naukowcy wysłali je kablem światłowodowym do stacji odbiorczej, gdzie wspólny pomiar fotonów wskazuje na splątanie pamięci kwantowych.
Jednak większość pamięci kwantowych emituje światło o długości fali w zakresie widzialnym lub bliskiej podczerwieni. „W światłowodzie fotony przelatują zaledwie kilka kilometrów, zanim zostaną utracone” – wyjaśnia Christoph Becher. Z tego powodu fizyk z Saarbrücken i jego zespół zoptymalizowali długość fali fotonów pod kątem ich podróży w kablu. Korzystając z dwóch kwantowych konwerterów częstotliwości, zwiększyli pierwotną długość fali z 780 nanometrów do długości fali 1517 nanometrów. „Jest to zbliżone do tak zwanej długości fali telekomunikacyjnej wynoszącej około 1550 nanometrów” – mówi Becher. Pasmo telekomunikacyjne to zakres częstotliwości, w którym transmisja światła w światłowodzie ma najmniejsze straty. Zespół Bechera dokonał konwersji z bezprecedensową wydajnością 57 procent. Jednocześnie udało im się w wysokim stopniu zachować jakość informacji przechowywanych w fotonach, co jest warunkiem sprzężenia kwantowego.
„Znaczenie naszego eksperymentu polega na tym, że w rzeczywistości splątamy dwie nieruchome cząstki – to znaczy atomy, które działają jak pamięć kwantowa” – mówi Tim van Leent, główny autor artykułu. „Jest to znacznie trudniejsze niż splątanie fotonów, ale otwiera o wiele więcej możliwości zastosowań”. Naukowcy sądzą, że opracowany przez nich system można by wykorzystać do budowy wielkoskalowych sieci kwantowych i implementacji bezpiecznych protokołów komunikacji kwantowej. „Eksperyment jest ważnym krokiem na drodze do Internetu kwantowego opartego na istniejącej infrastrukturze światłowodowej” – mówi Harald Weinfurter.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Ludwig-Maximilians-Uniwersytet w Monachium. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.