Ook al is kwantumcommunicatie aftapbestendig, het is tot nu toe niet bijzonder efficiënt. Onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics willen hier verandering in brengen. Ze hebben een detectiemethode ontwikkeld waarmee kwantumtransmissies kunnen worden gevolgd. Kwantuminformatie wordt over lange afstanden verzonden in de vorm van fotonen (d.w.z. lichtdeeltjes). Echter, deze gaan snel verloren. Al na een gedeeltelijke afstand uitvinden of zo'n foton nog op weg is naar zijn bestemming of al verloren is gegaan, kan de inspanning die nodig is voor informatieverwerking aanzienlijk verminderen. Dit zou toepassingen zoals de encryptie van geldtransfers veel praktischer maken.

Kwantumcryptografie zou binnenkort de voorkeursmethode kunnen worden om het dataverkeer van overheidsinstanties of banken te beveiligen. Echter, in de nabije toekomst, het zal ons e-mailverkeer waarschijnlijk niet beschermen tegen ongenode lezers. De uitwisseling van qubits, de kleinste eenheid van kwantuminformatie, is gewoon veel te ingewikkeld. Een van de grootste problemen:lichte deeltjes die qubits over lange afstanden vervoeren en gemakkelijk van hun pad in de lucht worden afgebogen of in glasvezels worden geabsorbeerd - en plotseling, de kwantuminformatie gaat verloren. Omdat de meeste fotonen verloren gaan bij een transmissie over een afstand van ongeveer 100 km, duizenden fotonen zouden moeten worden verzonden om slechts één enkele qubit rechtstreeks over deze afstand te verzenden. De overdracht van kwantuminformatie kan dus een langdurige aangelegenheid worden, hoewel licht zich zeer snel voortplant en de afstand van München naar Berlijn (ongeveer 600 km) in slechts ongeveer twee milliseconden kan afleggen.

De detector leest de kwantuminformatie niet

Een team rond Dominik Niemietz en Gerhard Rempe van het Max Planck Institute of Quantum Optics heeft nu een fysiek protocol ontwikkeld dat kan aangeven of de qubit al verloren is gegaan bij tussenstations van de kwantumtransmissie. "Als dit de zaak is, de zender kan de qubit opnieuw verzenden met aanzienlijk minder vertraging dan wanneer het verlies alleen aan de ontvangende kant wordt opgemerkt, " zegt Dominik Niemietz, die de detector voor fotonische qubits (zoals dat in vakjargon heet) ontwikkelde als onderdeel van zijn proefschrift. "Het is essentieel dat we het qubit niet vernietigen. We detecteren dus alleen het qubit-foton en meten het niet." Met andere woorden:de detector detecteert of het foton er is of niet, maar leest de daarin gecodeerde kwantuminformatie niet. Het is zoiets als het online volgen van een zending zonder in het pakket te kunnen kijken. "Dit is cruciaal omdat de wetten van de kwantumfysica het uitsluiten van het kopiëren van een qubit 1 op 1 - dit is waar kwantumcryptografie op is gebaseerd." Quantumpost kan dus niet worden ververst op een tussenstation - ook niet door degenen die de zender en ontvanger hebben geïnstalleerd, noch door spionnen.

Twee resonatoren en één atoom maken de detectie van de qubit mogelijk

Om een ​​foton met kwantuminformatie te detecteren zonder het bericht zelf te lezen, de natuurkundigen werken met een atoom dat ze vangen in twee loodrecht op elkaar staande resonatoren. De twee resonatoren bestaan ​​elk uit twee spiegels, zodat het atoom wordt omgeven door vier spiegels die in een kruis zijn gerangschikt. Een van de resonatoren is zo ontworpen dat het atoom de aanwezigheid van het foton herkent door een uiterst zachte aanraking:de resonator bevindt zich aan het uiteinde van een optische vezel waardoor een foton het bereikt - of niet. Als het foton daar aankomt, het wordt gereflecteerd en verandert de toestand van het atoom. Wat hier belangrijk is, is dat de kwantuminformatie hierdoor onaangetast blijft - net zoals pakketbezorgers berichten achterlaten als de ontvangers niet thuis zijn en het pakket weer meenemen. Het foton beïnvloedt de toestand van het atoom. In het proces, de atomaire spin is veranderd - vergelijkbaar met een tol, waarvan de rotatie van het ene moment op het andere 180 graden wordt omgekeerd. In tegenstelling tot, de kwantuminformatie is verpakt in het oscillatievlak - natuurkundigen spreken van polarisatie - van het foton.

Maar hoe kunnen we zien of het foton er was en de toestand van het atoom heeft veranderd of niet? Dit is de taak van de tweede resonator. Als er op het verwachte tijdstip geen foton bij de detector aankomt, de Garching-fysici kunnen het atoom laten gloeien door het te bestralen met laserlicht. Ze kunnen de gloed gemakkelijk detecteren via het tweede paar spiegels en met een klassieke fotodetector. Als een foton wordt gereflecteerd naar de andere resonator, de toestand van het atoom veranderen, dit werkt niet, en het atoom blijft donker.

Vanaf 14 kilometer, de detector versnelt kwantumcommunicatie

De Max Planck-onderzoekers hebben met modelberekeningen aangetoond dat de detectie van fotonen die qubits transporteren de kwantumcommunicatie efficiënter maakt. Overeenkomstig, de detector die ze voor hun experiment gebruikten, zou de overdracht van kwantuminformatie op een grotere afstand dan 14 kilometer versnellen. "Een detector voor fotonische qubits kan ook handig zijn op kortere afstanden, " zegt Pau Farrera, die deel uitmaakte van het onderzoeksteam. Echter, om dit te laten gebeuren, de detectie zou nog betrouwbaarder moeten werken dan in het huidige experiment. "Dit is geen fundamenteel probleem, maar eerder een technisch probleem, " legt de natuurkundige uit. De efficiëntie van de detector lijdt momenteel vooral omdat de resonator slechts ongeveer een derde van de binnenkomende fotonen weerkaatst. Alleen bij reflectie laat een foton een spoor achter in het atoom. "Echter, we kunnen deze efficiëntie tot bijna 100 procent verhogen door de fabricage van de resonatoren te verbeteren."

Een detector die op betrouwbare wijze een fotonische qubit detecteert, zou niet alleen nuttig zijn bij het volgen van kwantuminformatie tijdens transmissie, maar zou ook de aankomst van kwantumpost op zijn bestemming kunnen bevestigen. Dit is handig als de informatie die in het foton is gecodeerd op een complexe manier verder moet worden verwerkt, bijvoorbeeld als het moet worden overgebracht naar verstrengelde atomen. Verstrengeling is een kwantummechanisch fenomeen dat kan worden gebruikt om gegevens te versleutelen en te verwerken. In dit proces, twee ruimtelijk wijd gescheiden deeltjes worden een enkele kwantumentiteit. Veranderingen in het ene deeltje leiden dus direct tot veranderingen in het andere. "Verstrengeling creëren is complex, " zegt Gerhard Rempe, Directeur van het Max Planck Instituut voor Quantum Optics. "Je moet het alleen gebruiken om een ​​qubit te verwerken als je zeker weet dat deze qubit er is."

Het demonstreren hoe quantum post-tracking kan worden gebruikt bij informatieverwerking is een mogelijk doel van toekomstige experimenten in de groep van Gerhard Rempe:"We willen de detector gebruiken voor quantumcommunicatie tussen ons instituut in Garching en een verder gelegen locatie. om de stap te maken van ons laboratorium naar praktische toepassing, ", zegt de Max Planck-directeur. "Op deze manier we komen weer een beetje dichter bij ons grote langetermijndoel, het kwantuminternet."