Výměna informací na kvantovém limitu

Jeden foton přenáší záhadu na jediný atom

Při slabých světelných pulsech se kvantová informace uložená v jednotlivých fotonech přenese na jediný atom rubidia, odtud se uloží a přečte. © Andreas Neuzner / MPQ
číst nahlas

Vědci poprvé dokázali přenést kvantovou informaci kódovanou v jednom fotonu na jeden atom, tam ji po určitou dobu uložit a poté ji znovu přečíst.

„To nám dává univerzální uzel pro kvantovou síť, “ vysvětluje profesor Gerhard Rempe z Institutu kvantové optiky Maxe Plancka a vysvětluje význam výsledků.

Experiment tak otevírá nové perspektivy pro realizaci škálovatelných kvantových sítí, ve kterých jsou kvantové informace sdělovány na velké vzdálenosti pomocí fotonů a distribuovány mezi několik uzlů. Rempe reportuje společně se svými kolegy v aktuálním online vydání vědeckého časopisu Nature.

Miniaturizace je trumf

Kvůli neustále postupující miniaturizaci struktur používaných pro ukládání informací jsou nyní dosahovány limity, ve kterých se již zákony klasické fyziky neuplatňují, ale zákony kvantové mechaniky. Nejmenší myslitelné paměťové zařízení sestává pouze z jednoho atomu, zatímco nejmenší možnou jednotkou pro optickou datovou komunikaci je jediné kvantum světla - foton. Kromě toho mohou být speciální vlastnosti kvantových částic použity pro nové aplikace, například pro přenos dat proti klepání, kvantová kryptografie.

To však vyžaduje vývoj nových konceptů pro přenos a zpracování informací. Slibným konceptem je síť vzájemně komunikujících kvantových vzpomínek. Na jedné straně musí být kvantová informace obsažená ve stacionárním kvantovém systému přenesena do fotonu. Takový vysílač světelné kvanty založený na jediném atomu byl realizován ministerstvem kvantové dynamiky před několika lety. zobrazit

Atomové soubory

Na druhou stranu je třeba fotonický kvantový bit znovu zapsat do stacionárního paměťového prvku a odtud číst co možná nejednozrnně. K dnešnímu dni tyto požadavky splňovaly pouze vzpomínky založené na atomových souborech několika tisíc částic, na které je kvantová informace mapována jako kolektivní excitace.

Je však výhodnější vyměňovat si informace přímo mezi jednotlivými kvantovými částicemi světla nebo hmoty, které lze specificky řešit a manipulovat. To by usnadnilo praktické aplikace, například v kvantových počítačích.

Atom rubidia jako kvantová paměť

V novém experimentu vědci Maxe Plancka nejprve použili jediný atom rubidia jako kvantovou paměť. Aby se zvýšila jeho přirozeně slabá interakce s jediným fotonem, fyzici v Garchingu zachytí atom v optickém rezonátoru tvořeném dvěma vysoce odraznými zrcadly.

Tam je držen laserovými paprsky, zatímco příchozí foton běží asi dvacet tisíckrát tam a zpět mezi zrcadly. Nejprve by měla být kvantová informace uložená v kvantovém světle přenesena do atomu.

Soudržnost překrytí

Na rozdíl od klasického bitu, který jednoznačně představuje jednu ze dvou hodnot, např. Nula nebo jedna, jsou kvantové bity vždy koherentní superpozicí dvou kvantových stavů vysvětluje Holger Specht, vědec experimentu. "V souladu s tím kódujeme foton koherentní superpozicí dvou polarizačních stavů, například polarizace doprava a doleva."

Světelné pulzy z řídicího laseru iniciují přenos optické kvantové informace: atom přechází do stavu, který je, a to je trik sestává z kohezivní superpozice dvou podúrovní. Relativní proporce obou sub-stavů odpovídají příslušným proporcím dvou polarizačních stavů vstupního fotonu, uvedli vědci.

Čtení fotonu se provádí také pomocí kontrolního laseru. Nyní proces probíhá v obráceném pořadí a fotonický kvantový bit je opět uvolněn. Účinnost je kolem deseti procent. Několik sérií experimentů, ve kterých byly polarizační stavy fotonu různé, ukázalo, že shoda se vstupním fotonem je vždy více než 90 procent.

„Hardware“ se skládá pouze z jednoho atomu

„Původní kvantum světla je u naší metody reprodukováno mnohem lépe, než by bylo možné u klasických měřících metod, “ vysvětluje Christian N lleke, doktorand experimentu. Jak z hlediska účinnosti, tak reprodukovatelnosti kvantové informace je systém na stejné úrovni jako nejlepší kvantové úložiště na světě, ačkoli „hardware“ se skládá pouze z jednoho atomu. Křehká kvantová informace je zároveň uložena po dobu téměř 200 mikrosekund. Překonává všechny dříve dosažené hodnoty pomocí optických kvantových pamětí.

„Reprodukovatelnost i doba skladování lze výrazně zlepšit optimalizací experimentálních okrajových podmínek, “ zdůrazňuje Stephan Ritter, vědec v oddělení kvantové dynamiky.

Další cíl: elementární kvantová síť

V dalším kroku chtějí vědci použít tuto metodu k realizaci elementární kvantové sítě sestávající ze dvou komunikačních uzlů.

Kromě toho je podle vědců prokázáno, že díky svým univerzálním vlastnostem je ukázaný paměťový modul vhodný také pro vývoj optických kvantových opakovačů a kvantových bran, pro přenos kvantových informací na velké vzdálenosti a pro realizaci kvantového počítače. potřeba. (Nature, Advance Online Publishing, 2011; doi: 10.1038 / nature09997)

(Institut Maxe Plancka pro kvantovou optiku, 02.05.2011 - DLO)