Het kwantuminternet belooft absoluut tap-proof communicatie en krachtige gedistribueerde sensornetwerken voor nieuwe wetenschap en technologie. Echter, omdat kwantuminformatie niet kan worden gekopieerd, het is niet mogelijk om deze informatie over een klassiek netwerk te verzenden. Kwantuminformatie moet worden overgedragen door kwantumdeeltjes, en hiervoor zijn speciale interfaces nodig. De in Innsbruck gevestigde experimentele natuurkundige Ben Lanyon, die in 2015 de Oostenrijkse START-prijs ontving voor zijn onderzoek, onderzoekt deze belangrijke kruispunten van een toekomstig kwantuminternet.

Nu heeft zijn team van de afdeling Experimentele Fysica aan de Universiteit van Innsbruck en aan het Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen een record bereikt voor de overdracht van kwantumverstrengeling tussen materie en licht. Voor de eerste keer, een afstand van 50 kilometer werd afgelegd met glasvezelkabels. "Dit is twee ordes van grootte verder dan voorheen mogelijk was en is een praktische afstand om te beginnen met het bouwen van interstedelijke kwantumnetwerken, ', zegt Ben Lanyon.

Geconverteerd foton voor transmissie

Het team van Lanyon begon het experiment met een calciumatoom gevangen in een ionenval. Met behulp van laserstralen, de onderzoekers schrijven een kwantumtoestand op het ion en prikkelen het tegelijkertijd om een ​​foton uit te zenden waarin kwantuminformatie is opgeslagen. Als resultaat, de kwantumtoestanden van het atoom en het lichtdeeltje zijn verstrengeld. Maar de uitdaging is om het foton over glasvezelkabels te sturen. "Het foton dat door het calciumion wordt uitgezonden, heeft een golflengte van 854 nanometer en wordt snel geabsorbeerd door de optische vezel, ", zegt Ben Lanyon. Zijn team stuurt het lichtdeeltje daarom in eerste instantie door een niet-lineair kristal verlicht door een sterke laser. Daarbij wordt de fotongolflengte omgezet naar de optimale waarde voor verre reizen:de huidige telecommunicatiestandaardgolflengte van 1550 nanometer. De onderzoekers uit Innsbruck sturen dit foton vervolgens door een 50 kilometer lange glasvezellijn. Hun metingen laten zien dat atoom en lichtdeeltje nog steeds met elkaar verstrengeld zijn, zelfs na de golflengteconversie en deze lange reis.

Nog grotere afstanden in zicht

Als volgende stap, Lanyon en zijn team laten zien dat met hun methoden verstrengeling kan worden gegenereerd tussen ionen die 100 kilometer van elkaar verwijderd zijn en meer. Twee knooppunten sturen elk een verstrengeld foton over een afstand van 50 kilometer naar een kruispunt waar de lichtdeeltjes zodanig worden gemeten dat ze hun verstrengeling met de ionen verliezen, die hen op hun beurt zou verstrikken. Met een knoopafstand van 100 kilometer nu een mogelijkheid, men zou daarom kunnen overwegen om in de komende jaren 's werelds eerste intercity licht-materie kwantumnetwerk te bouwen:er zou slechts een handvol ingesloten ionensystemen nodig zijn om een ​​kwantuminternet tussen Innsbruck en Wenen tot stand te brengen, bijvoorbeeld.

Het team van Lanyon maakt deel uit van de Quantum Internet Alliance, een internationaal project binnen het Quantum Flagship framework van de Europese Unie. De huidige resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Kwantuminformatie .