Naukowcy z LMU i Saarland University splątali dwie pamięci kwantowe na 33-kilometrowym łączu światłowodowym — to rekord i ważny krok w kierunku internetu kwantowego.
Sieć, w której transmisja danych jest doskonale zabezpieczona przed włamaniem? Jeśli fizycy pójdą swoją drogą, pewnego dnia stanie się to rzeczywistością dzięki kwantowemu zjawisku mechanicznemu znanemu jako splątanie. W przypadku splątanych cząstek zasada jest taka: Jeśli zmierzysz stan jednej z cząstek, to automatycznie znasz stan drugiej. Nie ma znaczenia, jak daleko od siebie znajdują się splątane cząstki. Jest to idealny stan rzeczy do przesyłania informacji na duże odległości w sposób uniemożliwiający podsłuch.
Zespół kierowany przez fizyków prof. Haralda Weinfurtera z LMU i prof. Christopha Bechera z Uniwersytetu Saary połączył obecnie dwie atomowe pamięci kwantowe za pomocą 33-kilometrowego połączenia światłowodowego. Jest to jak dotąd najdłuższa odległość, na jakiej udało się komukolwiek dokonać splątania za pomocą światłowodu telekomunikacyjnego. W mechanicznym splątaniu kwantowym pośredniczą fotony emitowane przez obie pamięci kwantowe. Decydującym krokiem było przesunięcie przez badaczy długości fali emitowanych cząstek światła do wartości, która jest używana w konwencjonalnej telekomunikacji. „Dzięki temu byliśmy w stanie znacznie zmniejszyć straty fotonów i stworzyć splątane pamięci kwantowe nawet na dużych odległościach światłowodu” – mówi Weinfurter.
Ogólnie rzecz biorąc, sieci kwantowe składają się z węzłów indywidualnych pamięci kwantowych — takich jak atomy, jony lub defekty w siatkach krystalicznych. Węzły te są w stanie odbierać, przechowywać i przesyłać stany kwantowe. Pośrednictwo między węzłami można osiągnąć za pomocą cząstek światła, które są wymieniane albo w powietrzu, albo w sposób ukierunkowany przez połączenie światłowodowe. W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystali system składający się z dwóch optycznie uwięzionych atomów rubidu w dwóch laboratoriach na kampusie LMU. Oba miejsca połączone są 700-metrowym światłowodem, który biegnie pod placem Geschwister Scholl przed głównym budynkiem uczelni. Dodając dodatkowe włókna na cewkach, można uzyskać połączenia o długości nawet 33 kilometrów.
Impuls laserowy wzbudza atomy, po czym spontanicznie wracają one do stanu podstawowego, każdy z nich emituje w ten sposób foton. Ze względu na zachowanie momentu pędu, spin atomu jest splątany z polaryzacją emitowanego przez niego fotonu. Te cząstki światła mogą być następnie wykorzystane do stworzenia kwantowo-mechanicznego sprzężenia dwóch atomów. Aby to zrobić, naukowcy wysłali je przez światłowód 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 światłowodach fotony te pokonują zaledwie kilka kilometrów, zanim zostaną utracone” – wyjaśnia Christoph Becher. Z tego powodu fizyk z Saarbrücken i jego zespół zoptymalizowali długość fali fotonów do ich podróży w kablu. Używając dwóch kwantowych konwerterów częstotliwości, zwiększyli oryginalną długość fali z 780 nanometrów do długości fali 1.517 nanometrów. „Jest to bliskie tzw. długości fali telekomunikacyjnej wynoszącej około 1.550 nanometrów” – mówi Becher. Pasmo telekomunikacyjne to zakres częstotliwości, w którym transmisja światła w światłowodach ma najmniejsze straty. Zespół Bechera dokonał konwersji z bezprecedensową wydajnością 57 procent. Jednocześnie udało im się w wysokim stopniu zachować jakość informacji zapisanej w fotonach, co jest warunkiem sprzężenia kwantowego.
„Znaczenie naszego eksperymentu polega na tym, że faktycznie splątaliśmy dwie stacjonarne cząstki — czyli atomy, które funkcjonują jako pamięci kwantowe” – mówi Tim van Leent, główny autor pracy. „Jest to znacznie trudniejsze niż splątanie fotonów, ale otwiera o wiele więcej możliwości zastosowań”. Badacze uważają, że opracowany przez nich system mógłby zostać wykorzystany do budowy wielkoskalowych sieci kwantowych oraz do implementacji bezpiecznych protokołów komunikacji kwantowej. „Eksperyment jest ważnym krokiem na drodze do kwantowego internetu opartego na istniejącej infrastrukturze światłowodowej” – mówi Harald Weinfurter.
Źródło: Ludwig-Maximilians-Universität München
