Jaká je maximální dosažená vzdálenost kvantového provázání?

Datum 12.02.2023

Foto: CanStock

Síť, v níž je přenos dat dokonale zabezpečen proti hackerským útokům? Pokud fyzikové dosáhnou svého, stane se to jednoho dne realitou díky kvantově mechanickému jevu známému jako provázanost. Pro provázané částice platí pravidlo: Pokud změříte stav jedné z částic, automaticky znáte i stav druhé. Nezáleží na tom, jak daleko jsou od sebe takto provázané částice vzdáleny. To je ideální stav pro přenos informací na velké vzdálenosti způsobem, který znemožňuje odposlech.

Týmu vedeném fyziky profesorem Haraldem Weinfurterem z LMU v Mnichově (Ludwig-Maximilians-Universität) a profesorem Christophem Becherem ze Sárské univerzity s v loňském roce podařilo propojit dvě atomové kvantové částice přes 33 kilometrů dlouhé optické vlákno. To je zatím nejdelší vzdálenost, na kterou se někomu podařilo kvantové provázání prostřednictvím telekomunikačního vlákna. Kvantově mechanické provázání je zprostředkováno fotony emitovanými oběma kvantovými částicemi. Rozhodujícím krokem bylo, že vědci posunuli vlnovou délku emitovaných světelných částic na hodnotu, která se používá pro běžné telekomunikace. “Tím jsme dokázali výrazně snížit ztráty fotonů a vytvořit kvantově provázáné paměti i na velké vzdálenosti optického kabelu,” říká Weinfurter.

Vědci propojili dvě kvantové částice přes 33 kilometrů dlouhé optické vlákno, což je rekord a důležitý krok na cestě ke kvantovému internetu.

Obecně řečeno, kvantové sítě se skládají z uzlů jednotlivých kvantových pamětí – například atomů, iontů nebo defektů v krystalových mřížkách. Tyto uzly jsou schopny přijímat, ukládat a vysílat kvantové stavy. Zprostředkování mezi uzly může probíhat pomocí světelných částic, které se vyměňují buď vzduchem, nebo cíleně prostřednictvím optického spojení. Pro svůj experiment vědci používají systém složený ze dvou opticky uvězněných atomů rubidia ve dvou laboratořích v areálu LMU. Obě místa jsou propojena 700 metrů dlouhým optickým kabelem, který vede pod náměstím Geschwister Scholl před hlavní budovou univerzity. Přidáním dalších vláken na cívkách lze dosáhnout spojení o délce až 33 kilometrů.

Laserový puls excituje atomy, načež se samovolně vrátí do základního stavu a každý z nich tak vyzáří foton. Díky zachování momentu hybnosti je spin atomu provázán s polarizací jeho emitovaného fotonu. Tyto světelné částice pak mohou být použity k vytvoření kvantově mechanického spojení obou atomů. Za tímto účelem je vědci poslali optickým kabelem do přijímací stanice, kde společné měření fotonů indikuje provázání kvantových pamětí.

Většina kvantových částic však vyzařuje světlo o vlnových délkách ve viditelném nebo blízkém infračerveném oboru. “V optických vláknech tyto fotony urazí jen několik kilometrů, než se ztratí,” vysvětluje Christoph Becher. Proto saarbrückenský fyzik a jeho tým optimalizovali vlnovou délku fotonů pro jejich cestu v kabelu. Pomocí dvou kvantových frekvenčních měničů zvýšili původní vlnovou délku ze 780 nanometrů na vlnovou délku 1 517 nanometrů. “To se blíží takzvané telekomunikační vlnové délce, která činí přibližně 1 550 nanometrů,” říká Becher. Telekomunikační pásmo je frekvenční rozsah, ve kterém má přenos světla v optických vláknech nejnižší ztráty. Becherův tým dosáhl konverze s bezprecedentní účinností 57 procent. Zároveň se jim podařilo ve vysoké míře zachovat kvalitu informace uložené ve fotonech, což je podmínkou kvantové vazby.

“Význam našeho experimentu spočívá v tom, že jsme skutečně propojili dvě stacionární částice – tedy atomy, které fungují jako kvantové paměti,” říká Tim van Leent, hlavní autor článku. “Je to mnohem obtížnější než provázání fotonů, ale otevírá to mnohem více možností použití.” Vědci se domnívají, že jimi vyvinutý systém by mohl být využit pro konstrukci rozsáhlých kvantových sítí a pro implementaci bezpečných kvantových komunikačních protokolů. “Tento experiment je důležitým krokem na cestě ke kvantovému internetu založenému na stávající infrastruktuře optických vláken,” říká Harald Weinfurter.

Milan Matějíček
zdroj: Nature, LMU