Att kryptera data på ett sätt som säkerställer säker kommunikation är en ständigt växande utmaning eftersom avgörande komponenter i dagens krypteringssystem inte tål framtida kvantdatorer. Forskare runt om i världen arbetar därför med teknologier för nya krypteringsmetoder som också är baserade på kvanteffekter. Fenomenet med så kallad kvantentanglement spelar här en särskilt viktig roll. Detta betyder att i ett kvantnät, de stationära qubitarna i nätverket är intrasslade med kommunikationskanalen, som vanligtvis består av fotoner (ljuspartiklar). För första gången, fysiker vid universitetet i Bonn har nu kunnat visa kvantintrassling mellan en stationär qubit, dvs ett tvåtillstånds kvantsystem, och en foton med direkt koppling till en optisk fiber. Studien har publicerats i tidskriften npj Quantum Information .

Kvantsystem härstammar från partiklarnas och de minsta strukturernas värld och kan vara relevanta för framtida teknologier. Om olika kvantinformationsbärare (kvantnoder) är sammankopplade av kvantkanaler, forskare talar om kvantnätverk. Sedan 2009, forskare vid universitetet i Bonn har arbetat med förverkligandet av en kvantnätverksnod där en enda jon som en minnes-qubit är kopplad till en optisk resonator som ett ljus-materia-gränssnitt.

Dock, för distribution av kvantinformation i ett nätverk, de stationära qubitarna i nätverket måste vara intrasslade med kommunikationskanalen. Det fysiska skälet är att ett kvanttillstånd inte kan kopieras och överföras på ett klassiskt sätt. Fotoner används vanligtvis som kommunikationskanal, som är svåra att lagra men möjliggör snabb informationsöverföring. "Implementeringen av effektiva gränssnitt mellan fotoner och stationära qubits är därför avgörande för hastigheten för informationsöverföring och skalbarheten av ett kvantnätverk, " förklarar första författaren Pascal Kobel, en doktorsexamen student i forskargruppen Experimentell kvantfysik vid universitetet i Bonn.

Implementering av ett lätt-materia-gränssnitt

I deras experimentupplägg, forskarna implementerade ett speciellt gränssnitt mellan ljus och materia. För detta ändamål, de använde en optisk resonator bestående av två motsatta speglar realiserade på ändfasetterna av två optiska fibrer. För de konkava speglarna, de ablerade en del av den optiska fibern med en laserpuls och fick därefter de optiska fiberändarna belagda med en reflekterande beläggning. Fiberdiametern på 150 mikrometer var ungefär i storleksordningen ett hårstrå (ca 60 mikrometer).

"Konstruktionen och kombinationen av en sådan resonator med en enda jon är experimentellt utmanande. Fibrer och jon måste placeras med en relativ noggrannhet på ungefär en mikrometer till varandra, " säger medförfattaren Moritz Breyer, även fysiker i forskargruppen ledd av prof. Dr. Michael Köhl vid universitetet i Bonn. Dock, den lilla resonatorvolymen ökar ljus-materia-interaktionen, som möjliggör höga bandbredder för distribution av kvantinformation i ett nätverk. En annan fördel är att fiberresonatorn leder till så kallad intrinsic koppling av fotoner till optiska fibrer. Detta förenklar deras distribution i ett nätverk avsevärt.

Med deras experimentella upplägg, forskarna lyckades för första gången påvisa kvantintrassling mellan en stationär qubit och en foton ur en optisk fiberresonator. De observerade att även på en och en halv meters avstånd, den enda jonen och fotonen delade ett gemensamt intrasslat kvanttillstånd. "Vårt presenterade system är väl lämpat som en nod i kvantnätverk, " betonar studieledaren Prof. Dr. Michael Köhl, medlem av Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence vid universiteten i Bonn, Köln och Aachen och Forschungszentrum Jülich och inom det transdisciplinära forskningsområdet "Byggstenar av materia och grundläggande interaktioner." Nätverket samlar forskare från olika discipliner för att gemensamt arbeta med framtidsrelevanta frågor vid University of Excellence Bonn.

Resultaten av studien kan vara relevanta för så kallad distribuerad kvantberäkning eller bevisligen säker kommunikation. I framtida studier, forskarna planerar att vidareutveckla sitt system genom att till exempel, förbättra stabiliteten i ljus-materia-gränssnittet och använda inställningen för distribution av kvantnycklar.