Även om kvantkommunikation är tappsäker, det är än så länge inte speciellt effektivt. Forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics vill ändra på detta. De har utvecklat en detektionsmetod som kan användas för att spåra kvantöverföringar. Kvantinformation skickas över långa avstånd i form av fotoner (dvs ljuspartiklar). Dock, dessa går snabbt förlorade. Att efter bara en del avstånd ta reda på om en sådan foton fortfarande är på väg till sin destination eller redan har gått förlorad, kan avsevärt minska den insats som krävs för informationsbehandling. Detta skulle göra applikationer som kryptering av penningöverföringar mycket mer praktiska.

Kvantkryptografi kan snart bli den bästa metoden för att säkra datatrafiken från statliga myndigheter eller banker. Dock, inom överskådlig framtid, det kommer förmodligen inte att skydda vår e-posttrafik från objudna läsare. Utbytet av qubits, den minsta enheten av kvantinformation, är helt enkelt alldeles för komplicerat. Ett av de största problemen:lätta partiklar som bär qubits över långa avstånd och som lätt avleds från sin väg i luften eller absorberas i glasfibrer – och plötsligt, kvantinformationen går förlorad. Eftersom de flesta fotoner går förlorade i en överföring över cirka 100 km, tusentals fotoner skulle behöva sändas för att direkt sända endast en enda qubit över detta avstånd. Överföringen av kvantinformation kan därför bli en långdragen affär, även om ljuset färdas väldigt snabbt och kan täcka sträckan från München till Berlin (cirka 600 km) på bara cirka två millisekunder.

Detektorn läser inte kvantinformationen

Ett team runt Dominik Niemietz och Gerhard Rempe vid Max Planck Institute of Quantum Optics har nu utvecklat ett fysiskt protokoll som kan indikera om qubiten redan har gått förlorad vid mellanstationer av kvantöverföringen. "Om detta är fallet, sändaren kan sända qubiten igen med betydligt mindre fördröjning än om förlusten märks endast i mottagandet, " säger Dominik Niemietz, som utvecklade detektorn för fotoniska qubits (som det kallas på teknisk jargong) som en del av sin avhandling. "Det är viktigt att vi inte förstör qubiten. Vi upptäcker alltså bara qubit-fotonen och mäter den inte." Med andra ord:Detektorn detekterar om fotonen är där eller inte men läser inte kvantinformationen som är inkodad i den. Det är ungefär som att spåra en försändelse online utan att kunna se inuti paketet. "Detta är avgörande eftersom kvantfysikens lagar utesluter kopiering av en qubit 1 till 1 - det här är vad kvantkryptografin bygger på." Kvantpost kan alltså inte uppdateras på en mellanstation – inte heller av de som installerat sändaren och mottagaren, inte heller av spioner.

Två resonatorer och en atom möjliggör detektering av qubit

För att upptäcka en foton som bär kvantinformation utan att läsa själva meddelandet, fysikerna arbetar med en atom som de fångar in i två vinkelräta resonatorer. De två resonatorerna består var och en av två speglar så att atomen omges av fyra speglar arrangerade i ett kors. En av resonatorerna är utformad på ett sådant sätt att atomen känner igen närvaron av fotonen genom en extremt försiktig beröring:Resonatorn är placerad i änden av en optisk fiber genom vilken en foton når den – eller inte. När fotonen kommer dit, det reflekteras och förändrar atomens tillstånd. Det som är viktigt här är att kvantinformationen förblir opåverkad av detta – på ungefär samma sätt som paketleverare lämnar meddelanden om mottagarna inte är hemma och tar bort paketet igen. Fotonen påverkar atomens tillstånd. I processen, atomspinnet förändras - liknande en snurrande topp, vars rotation vänds 180 grader från ett ögonblick till ett annat. I kontrast, kvantinformationen packas in i oscillationsplanet – fysiker talar om polarisering – av fotonen.

Men hur kan vi avgöra om fotonen var där och ändrade atomens tillstånd eller inte? Detta är den andra resonatorns uppgift. Om ingen foton anländer till detektorn vid den förväntade tiden, Garching-fysikerna kan få atomen att lysa genom att bestråla den med laserljus. De kan enkelt upptäcka glöden via det andra paret speglar och med en klassisk fotodetektor. Om en foton reflekteras vid den andra resonatorn, ändra atomens tillstånd, det här fungerar inte, och atomen förblir mörk.

Från 14 kilometer, detektorn accelererar kvantkommunikation

Max Planck-forskarna har med modellberäkningar visat att detekteringen av fotoner som transporterar qubits gör kvantkommunikationen mer effektiv. Följaktligen, detektorn de använde för sitt experiment skulle påskynda överföringen av kvantinformation på ett större avstånd än 14 kilometer. "En detektor för fotoniska qubits kan också vara användbar på kortare avstånd, säger Pau Farrera, som ingick i forskargruppen. Dock, för att detta ska hända, detektionen skulle behöva fungera ännu mer tillförlitligt än den gjorde i det aktuella experimentet. "Detta är inte ett grundläggande problem utan snarare bara ett tekniskt, " förklarar fysikern. Detektorns effektivitet lider för närvarande främst eftersom resonatorn endast reflekterar ungefär en tredjedel av de inkommande fotonerna. Endast i fallet med en reflektion lämnar en foton ett spår i atomen. "Men, vi kan öka denna effektivitet till nästan 100 procent genom att förbättra tillverkningen av resonatorerna."

En detektor som på ett tillförlitligt sätt detekterar en fotonisk qubit skulle inte bara vara till hjälp för att spåra kvantinformation under sändning utan kan också bekräfta ankomsten av kvantpost till dess destination. Detta är fördelaktigt om informationen som är kodad i fotonen ska bearbetas ytterligare på ett komplext sätt - till exempel, om det ska överföras till intrasslade atomer. Entanglement är ett kvantmekaniskt fenomen som kan användas för att kryptera och bearbeta data. I denna process, två spatialt vitt åtskilda partiklar blir en enda kvantenhet. Förändringar i en partikel leder alltså direkt till förändringar i den andra. "Att skapa förveckling är komplext, säger Gerhard Rempe, Direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics. "Du bör bara använda den för att bearbeta en qubit om du är säker på att denna qubit finns där."

Att demonstrera hur quantum post tracking skulle kunna användas i informationsbehandling är ett möjligt mål för framtida experiment i Gerhard Rempes grupp:"Vi skulle vilja använda detektorn för kvantkommunikation mellan vårt institut i Garching och en mer avlägsen plats. T.ex. att ta steget från vårt laboratorium till praktisk tillämpning, " säger Max Planck-direktören. "På detta sätt, vi kommer återigen lite närmare vårt stora långsiktiga mål, kvantinternet."