Natuurkundigen bij LMU, samen met collega's van de Universiteit van Saarland, hebben met succes het transport van een verstrengelde toestand tussen een atoom en een foton via een optische vezel over een afstand van maximaal 20 km aangetoond - en daarmee een nieuw record gevestigd.

Verstrengeling beschrijft een heel bijzonder type kwantumtoestand die niet alleen aan een enkel deeltje wordt toegeschreven, maar die wordt gedeeld tussen twee verschillende deeltjes. Het verbindt hun latere lot onherroepelijk met elkaar - hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn - wat de beroemde reden was voor Albert Einstein om het fenomeen 'spookachtige actie op afstand' te noemen. Verstrengeling is een hoeksteen geworden van nieuwe technologieën gebaseerd op effecten op kwantumniveau en is distributie over lange afstanden een centraal doel in kwantumcommunicatie. Nu LMU-onderzoekers onder leiding van natuurkundige Harald Weinfurter, in samenwerking met een team van de Universiteit van het Saarland in Saarbrücken, hebben aangetoond dat de verstrengelde toestand van een atoom en een foton via een optische vezel (zoals die in telecommunicatienetwerken wordt gebruikt) over een afstand van maximaal 20 km kan worden verzonden. Het vorige record was 700 meter. "Het experiment is een mijlpaal, voor zover de afgelegde afstand bevestigt dat kwantuminformatie op grote schaal kan worden verspreid met weinig verlies, ", zegt Weinfurter. "Ons werk vormt daarom een ​​cruciale stap in de richting van de toekomstige realisatie van kwantumnetwerken."

Kwantumnetwerken bestaan ​​in wezen uit kwantumgeheugens (bestaande uit een of meer atomen, bijvoorbeeld) die fungeren als knooppunten, en communicatiekanalen waarin fotonen (lichtquanta) zich kunnen voortplanten om de knooppunten met elkaar te verbinden. In hun experiment hebben de onderzoekers verstrengelden een rubidiumatoom met een foton, en waren in staat om de verstrengelde toestand te detecteren - die nu de kwantumeigenschappen van beide deeltjes deelt - na zijn passage door een 20 km lange spoel van optische vezels.

Het grootste probleem waarmee de onderzoekers werden geconfronteerd, begint met de eigenschappen van het rubidiumatoom. Na gerichte opwinding, deze atomen zenden fotonen uit met een golflengte van 780 nanometer, in het nabij-infrarode gebied van het spectrum. "In een optische vezel van glas, licht op deze golflengte wordt snel geabsorbeerd, " legt Weinfurter uit. Conventionele telecommunicatienetwerken maken daarom gebruik van golflengten rond 1550 nanometer, waardoor de verliezen tijdens het transport aanzienlijk worden verminderd.

Blijkbaar, deze golflengte zou ook de kans op succes van de onderzoekers vergroten. Dus Matthias Bock, een lid van de groep in Saarbrücken, bouwde een zogenaamde kwantumfrequentieomvormer die speciaal is ontworpen om de golflengte van de uitgezonden fotonen te vergroten van 780 tot 1520 nanometer. Deze taak zelf bracht een aantal zeer veeleisende technische uitdagingen met zich mee. Want het was absoluut noodzakelijk om ervoor te zorgen dat conversie van slechts een enkel foton naar slechts één ander foton plaatsvindt en dat geen van de andere eigenschappen van de verstrengelde toestand, vooral de polarisatie van het foton, zijn gewijzigd tijdens het conversieproces. Anders, de verstrengelde staat zou verloren gaan. "Dankzij het gebruik van deze zeer efficiënte converter, we waren in staat om de verstrengelde toestand over een veel groter bereik bij telecommunicatiegolflengten te behouden, en daarom de kwantuminformatie die het over lange afstanden vervoert, ', zegt Weinfurter.

In de volgende stap, de onderzoekers zijn van plan om het licht van een tweede atoom in frequentie om te zetten, wat hen in staat zou moeten stellen verstrengeling tussen de twee atomen over lange telecommunicatievezels te genereren. De eigenschappen van glasvezelkabels variëren afhankelijk van factoren zoals de temperatuur en belasting waaraan ze worden blootgesteld. Om deze reden, het team wil dit experiment eerst onder gecontroleerde omstandigheden in het laboratorium uitvoeren. Bij succes, Er zullen veldexperimenten worden uitgevoerd waarbij ook nieuwe knooppunten worden toegevoegd aan een groeiend netwerk. Ten slotte, zelfs lange reizen kunnen volledig succesvol zijn door één stap tegelijk te nemen.