Kvantfysik kan garantera att ett meddelande inte har fångats upp innan det når sin destination. Tack vare kvantfysikens lagar, en ljuspartikel – en foton – kan vara i två distinkta tillstånd samtidigt, jämförbart med ett mynt som kastas i luften, som är praktiskt taget både huvud och svans innan den når marken. Som när myntet grips, denna överlagring av stater förstörs så snart den läses. Denna speciella funktion gör att man kan upptäcka en ond avlyssnare när man skickar ett meddelande. Dock, denna teknik är än så länge begränsad till korta avstånd. För att utöka räckvidden för dessa kvantkommunikationer, forskare från universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, har visat ett nytt protokoll baserat på en kristall som kan avge kvantljus samt lagra det under godtyckliga långa tider. Detta jobb, att dyka upp i Fysiska granskningsbrev , banar väg för en framtida kvantrepeater.

Kvantöverlagring är en av kvantfysikens fascinerande egenskaper. "För att testa säkerheten för kommunikationslänken, vi kan använda ljuspartiklar, fotoner, på vilken vi kodar kvantbitar (analogt med den bit som används vid beräkningar), " förklarar Cyril Laplane, en forskare i gruppen för tillämpad fysik vid UNIGE. Han fortsätter:"Vi drar då fördel av egenskaperna hos kvantsuperposition, låta fotonen vara i två tillstånd samtidigt, för att testa säkerheten för en kommunikationslänk". Om fotonen fångas upp och läses, staternas överlagring är förlorad, endast en av de två staterna återstår. Därav, mottagaren kan veta om meddelandet har avlyssnats.

Behovet av quantum repeaters

Eftersom detta protokoll bygger på användningen av enstaka fotoner, det finns en oförglömlig chans att förlora partiklarna när de fortplantar sig i traditionella kommunikationslänkar som den optiska fibern. Detta problem blir mer och mer kritiskt med avståndet. För att kunna kommunicera över långa avstånd, man skulle behöva repeaters, som förstärker och återsänder signalen. Det är dock omöjligt att använda en sådan procedur i kvantkommunikation utan att förstöra överlagringen av stater. Fysiker behöver bygga en kvantrepeater som kan lagra fotonens dubbla karaktär men också producera ett sådant tillstånd, en riktig utmaning.

En kristallbaserad lösning

För att bygga en kvantrepeater, forskare har undersökt många atomgaser, som vanligtvis kräver tung experimentell apparatur. "Vi använder en kristall som kan lagra kvanttillstånd av ljus. Den har fördelen att den är relativt enkel att använda med potential för mycket långa lagringstider, " förtydligar Jean Etesse, medförfattare till tidningen. Dessa kristaller kan absorbera ljus och återställa det senare, utan att läsa informationen som är kodad på den. Vidare, de kan generera enstaka fotoner och lagra dem på begäran. En annan stor tillgång är deras potential för miniatyrisering.

Eftersom kristallen är källan och minnet för kvantinformation, det förenklar protokollet för kvantrepeaters och lägger grunden till ett kvantinternet. Fysiker vid UNIGE arbetar redan med att skapa en elementär länk för kvantkommunikation med hjälp av en repeater.