Natuurkundigen aan de Universiteit van Saarland in Saarbrücken, Duitsland, zijn erin geslaagd een enkel atoom te verstrengelen met een enkel foton in het telecomgolflengtebereik. Dit vormt een basisbouwsteen voor transmissie van kwantuminformatie over lange afstand met weinig verlies. De resultaten hebben de belangstelling van de quantumtechnologiegemeenschap gewekt en zijn nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Communicatie met behulp van kwantumtoestanden biedt ultieme veiligheid, omdat afluisterpogingen het signaal verstoren en dus niet onopgemerkt blijven. Om dezelfde reden, Hoewel, overdracht van die informatie over lange afstand is moeilijk. Bij klassieke telecommunicatie de toenemende demping van het signaal wordt tegengegaan door te meten, versterken en opnieuw verzenden in zogenaamde repeaterstations, maar dit blijkt net zo schadelijk te zijn voor de kwantuminformatie als een afluisteraar.

Daarom, er moet een ander principe worden gebruikt:de kwantumrepeater. Hier, kwantumverstrengeling wordt eerst over korte afstand tot stand gebracht en vervolgens gepropageerd naar langere scheidingen. Kwantumverstrengeling tussen twee deeltjes betekent dat hun gemeenschappelijke toestand nauwkeurig is gedefinieerd, hoewel wanneer men de individuele toestanden van de deeltjes meet, de resultaten zijn willekeurig en onvoorspelbaar. Een mogelijke realisatie is om een ​​enkel atoom te verstrengelen met een foton dat het uitzendt. Dit is wat er gebeurt in de laboratoria van prof. Jürgen Eschner, het gebruik van enkele calciumatomen in een ionenval die worden bestuurd door laserpulsen (www.uni-saarland.de/en/lehrstuhl/eschner.html). Voor de golflengte van 854 nanometer waar atoom-fotonenverstrengeling ontstaat, echter, er zijn geen optische vezels met weinig verlies voor transmissie over lange afstanden; in plaats daarvan, men zou de fotonen willen uitzenden in een van de zogenaamde telecombanden (1300 – 1560 nanometer). De technologie om de fotonen om te zetten in dit regime, de kwantumfrequentieomvormer, is ontwikkeld door Prof. Christoph Becher en zijn onderzoeksgroep (www.uni-saarland.de/fak7/becher/index.htm).

Samen, de twee groepen hebben nu aangetoond dat na kwantumfrequentieconversie, het telecomfoton is nog steeds verstrengeld met het atoom dat het originele foton uitzond, en dat de hoge kwaliteit van de verstrengeling behouden blijft. Een van de fascinerende aspecten van het werk is dat de verstrengelde kwantumtoestand van de twee microscopisch kleine deeltjes (een enkel atoom en een enkel telecomfoton) zich uitstrekt over meerdere verdiepingen van het natuurkundegebouw van de universiteit. "Dit maakt de weg vrij voor verstrengeling van meer dan 20 kilometer en meer", opmerkingen Matthias Bock, doctoraat student in kwantumtechnologieën en eerste auteur van de studie. De resultaten zijn een belangrijke stap in de richting van de integratie van kwantumtechnologieën in conventionele telecommunicatie; voor hun onderzoek naar dit doel, de twee groepen aan de Universiteit van Saarland worden gefinancierd door het Duitse Ministerie voor Onderwijs en Onderzoek, BMBF.

Verklaring van kwantumverstrengeling:

De toestand van een individuele kwantumbit (een atoom met twee energietoestanden van zijn elektron, of een foton met twee richtingen van polarisatie) kan worden gevisualiseerd als een punt op het oppervlak van een bol. Het meten van die toestand geeft overal op het oppervlak een onvoorspelbaar resultaat. De andere qubit die verstrengeld is met de eerste zal, echter, altijd te vinden in het tegenovergestelde punt van de bol. Deze correlatie kan ook bestaan ​​over grote afstanden. Einstein noemde dit fenomeen 'spookachtige actie op afstand'; het behoort tot de niet-intuïtieve eigenaardigheden van de kwantummechanica, maar het is in veel experimenten bevestigd.