Teleportacja stanu fotonu między osobnymi kropkami kwantowymi na odległość 270 metrów

Łącze o długości 270 metrów

Łącze połączyło dwa budynki Uniwersytetu Sapienza w Rzymie, gdzie odbyły się eksperymenty teleportacyjne. Uniwersytet w Paderborn podał, że jego doktoranci i badacze po doktoracie spędzili około dziesięciu lat na pomiarach optycznych, analizie danych i ocenie. Grupa prof. Klausa Jönsa współpracowała blisko z zespołem prof. Rinalda Trotty z Sapienzy. Uczelnia nazwała wynik ważnym kamieniem milowym na drodze do internetu kwantowego.

Zespół teleportował stan polaryzacji pojedynczego fotonu z jednej kropki kwantowej do drugiej, fizycznie od niej oddzielonej. Kropka odbierająca odtworzyła polaryzację pierwszego fotonu. Obie kropki były osobnymi emiterami, a nie jednym źródłem rozdzielonym na dwoje. Wyniki opublikowano w „Nature Communications”.

Dlaczego osobne emitery mają znaczenie

Układy splątane złożone z wielu cząstek kwantowych tworzą wzajemnie powiązane stany obejmujące wiele cząstek. Uniwersytet w Paderborn podał, że takie podejście jest niezbędne w zastosowaniach w bezpiecznej komunikacji, przetwarzaniu danych i obliczeniach kwantowych.

Jöns powiedział, że wcześniejsze eksperymenty korzystały z fotonów z jednego i tego samego źródła. Wykorzystanie odrębnych emiterów kwantowych do zbudowania przekaźnika kwantowego między niezależnymi stronami pozostawało poza zasięgiem, dodał. Udana teleportacja między dwoma niezależnymi emiterami kwantowymi to według niego krok w stronę skalowalnych przekaźników kwantowych i praktycznego wdrożenia internetu kwantowego.

Jöns powiedział też, że eksperyment pokazuje, iż źródła światła kwantowego oparte na półprzewodnikowych kropkach kwantowych mogą służyć jako technologia dla przyszłych sieci komunikacji kwantowej.

Jak przebiegał eksperyment

Kropki kwantowe zaprojektowano precyzyjnie na Uniwersytecie Johannesa Keplera w Linzu. Nanofabrykacją rezonatorów zajęli się partnerzy z Uniwersytetu w Würzburgu. W rzymskich eksperymentach użyto synchronizacji wspomaganej GPS, ultraszybkich detektorów pojedynczych fotonów i metod stabilizacji, które przeciwdziałają turbulencjom atmosferycznym.

Wierność teleportowanego stanu, czyli miara tego, jak dobrze zachowane są stany kwantowe, sięgnęła do 82 ± 1%. Przekroczyło to granicę klasyczną o ponad 10 odchyleń standardowych.

Co dalej

Następny cel to pokazanie zamiany splątania między dwiema kropkami kwantowymi. Zdaniem zespołu powstałby wtedy pierwszy przekaźnik kwantowy wykorzystujący dwa deterministyczne źródła splątanych par fotonów. Źródła deterministyczne potrafią niezawodnie wytwarzać pojedyncze fotony niemal na żądanie, choć ich opracowanie było dużym wyzwaniem.

Około dziesięciu lat temu Jöns i Trotta przedstawili plan wykorzystania kropek kwantowych jako źródeł splątanych par fotonów w systemach komunikacji i teleportacji. Jöns powiedział, że wynik pokazuje, iż długoterminowe planowanie się opłaciło. Zasługę przypisał połączeniu nauki o materiałach, nanofabrykacji i optycznej technologii kwantowej.