Fysiker vid LMU, tillsammans med kollegor vid Saarlands universitet, har framgångsrikt demonstrerat transporten av ett intrasslat tillstånd mellan en atom och en foton via en optisk fiber över ett avstånd på upp till 20 km - och därmed satt ett nytt rekord.

Förträngning beskriver en mycket speciell typ av kvanttillstånd som inte tillskrivs en enda partikel ensam, men som delas mellan två olika partiklar. Det kopplar oåterkalleligt deras efterföljande öden samman - oavsett hur långt ifrån varandra de är - vilket berömt fick Albert Einstein att kalla fenomenet som "spöklik handling på avstånd". Trassel har blivit en hörnsten i ny teknik baserad på effekter på kvantnivå och är distribution över långa avstånd ett centralt mål i kvantkommunikation. Nu LMU -forskare under ledning av fysikern Harald Weinfurter, i samarbete med ett team vid Saarlands universitet i Saarbrücken, har visat att det intrasslade tillståndet hos en atom och en foton kan överföras via en optisk fiber (som de som används i telekommunikationsnät) över ett avstånd på upp till 20 km. Förra rekordet var 700 meter. "Experimentet utgör en milstolpe, i den mån avståndet bekräftar att kvantinformation kan distribueras i stor skala med liten förlust, "säger Weinfurter." Vårt arbete utgör därför ett avgörande steg mot framtida förverkligande av kvantnätverk. "

Kvantnätverk består i huvudsak av kvantminnen (som består av en eller flera atomer, till exempel) som fungerar som noder, och kommunikationskanaler i vilka fotoner (ljuskvanta) kan föröka sig för att länka ihop noderna. I deras experiment, forskarna trasslade in en rubidiumatom med en foton, och kunde upptäcka det intrasslade tillståndet-som nu delar kvantitetsegenskaperna för båda partiklarna-efter att det passerat genom en 20 km spole med optisk fiber.

Det största problemet som experimenterna stod inför börjar med egenskaperna hos rubidiumatomen. Efter riktad excitation, dessa atomer avger fotoner med en våglängd på 780 nanometer, i spektrumets nära-infraröda område. "I en optisk fiber av glas, ljus vid denna våglängd absorberas snabbt, "Weinfurter förklarar. Konventionella telekommunikationsnät använder därför våglängder runt 1550 nanometer, vilket avsevärt minskar förluster under transitering.

Självklart, denna våglängd skulle också förbättra experimentörernas chanser att lyckas. Så Matthias Bock, medlem i gruppen i Saarbrücken, byggde det som kallas en kvantfrekvensomvandlare som var speciellt utformad för att öka våglängden för de utsända fotonerna från 780 till 1520 nanometer. Denna uppgift innebar ett antal extremt krävande tekniska utmaningar. För det var absolut nödvändigt att säkerställa att konvertering från endast en enda foton till endast en annan foton sker och att ingen av de andra egenskaperna hos det intrasslade tillståndet, särskilt polariseringen av fotonen, ändrades under konverteringsprocessen. Annat, den intrasslade staten skulle gå förlorad. "Tack vare användningen av denna mycket effektiva omvandlare, vi kunde behålla det intrasslade tillståndet över ett mycket längre intervall vid telekommunikationsvåglängder, och därför att transportera kvantinformationen som den bär över långa avstånd, säger Weinfurter.

I nästa steg, forskarna planerar att frekvensomvandla ljuset från en andra atom, vilket skulle göra det möjligt för dem att generera förvirring mellan de två atomerna över långa telekommunikationsfibrer. Glasfiberkablarnas egenskaper varierar beroende på faktorer som temperaturen och belastningen de utsätts för. Av denna anledning, teamet avser att först genomföra detta experiment under kontrollerade förhållanden i laboratoriet. Vid framgång, fältförsök kommer att genomföras och lägga till nya noder till ett växande nätverk. Trots allt, även långa resor kan lyckas helt genom att ta ett steg i taget.