Fizikusok újabb lépést tettek a kvantum-jövő megvalósítása felé egy kvantuminformációt cserélésére és tárolására alkalmas elemi hálózat megalkotásával. A hálózat két általános csomópontból áll, ami kvantum biteket küldhet, fogadhat és tárolhat, mindezt egy száloptikai kábel köti össze, egyetlen fotonon szállítva a csomópontok között az információt.

A hálózat csupán prototípus, azonban ha sikerül finomítani és felnagyítani, akkor a kvantumkommunikációs csatornák alapjaként szolgálhat. Az előrelépésről a Nature április 12-i számában számolt be a Max Planck Kvantum Optikai Intézetének (MPQ) Gerhard Rempe professzor által vezetett csoportja.

A kvantum bitek, vagy kubitek a kvantuminformációs technológia szívét testesítik meg. Egy hagyományos, klasszikus bit két értéket tud tárolni, ami 0 és 1 lehet. A kvantum mechanika furcsaságainak köszönhetően egy kubit azonban létezhet egy úgynevezett szuperpozícióban is, a 0 és az 1 között lebegve. Egy kvantumhálózat jelentősen különbözne klasszikus megfelelőjétől, amellett hogy betekintést nyújt a fizika alapvető kérdéseibe, fontos alkalmazásai lehetnek a kommunikáció biztonságosabbá tételében és a kvantumszámításokban, elvezetve a legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépek képességeit is túlszárnyaló kvantumszámítógépekhez.


A fizikusok a kvantum objektumok összes válfaját alkalmazták már a kubitek tárolására, az elektronoktól kezdve az atommagokon, és fotonokon át. Az új demonstrációban a kubit a hálózat egyes csomópontjainál egy visszatükröző optikai üregben foglyul ejtett rubídium atom belső kvantumállapotában tárolódott. Az atom a tárolt információt egy optikai szálon keresztül egy foton kibocsátásával továbbította. A foton polarizációs állapota magán viselte a szülő atom kvantum állapotának jegyét, az atom ugyanakkor arra is képes, hogy elnyelje a fotont, majd felvegye a polarizációjába észlelt kvantumállapotot. Mivel minden egyes csomópont több funkcióval rendelkezik - küldés, fogadás, tárolás - az optikai üregekben elhelyezkedő atomokon alapuló hálózat felnagyítható pusztán újabb csomópontok bekapcsolásával.

A fizikusok 15 évvel ezelőtt vetették fel az optikai üregek alkalmazásának lehetőségét a kvantumhálózatokhoz, mivel ezek képesek ötvözni az atomok és a fotonok legjobb jellemvonásait. Az atomok a helyükön maradnak, ezáltal ideális tároló közegnek tekinthetők, míg a fotonok gyorsak, így tökéletesek a mozdulatlan csomópontok közötti üzenetátvitelre. A fotonok és az atomok kommunikációja azonban nem akármilyen kihívást jelentett, a kvantum információ rendkívül törékeny és nem klónozható, ezért az információ elvesztésének megakadályozásához tökéletes kontrollra és erős kölcsönhatásra van szükség az összes hálózati összetevő között. "Ha egyedülálló atomokat és fotonokat szeretnénk használni, ahogy mi tettük, azok nagyon nehezen lépnek kölcsönhatásba egymással" - magyarázta Stephan Ritter fizikus, a tanulmány egyik szerzője.

Itt jön be a képbe az optikai üreg, ami két egymástól nagyon kis távolságban elhelyezkedő, magas fényvisszaverési képességű tükörből áll. Az üreg tükrei több tízezerszer verik vissza a fotont, felerősítve az atom-foton kölcsönhatást, így az atom koherensen és nagy hatékonysággal elnyelheti a fotont.

Az MPQ kutatócsoportja számos tesztet végzett prototípus hálózatával, átvíve egy kubitet egy fotonból egy atomba, majd visszafelé is megismételték a folyamatot. Ezeknek az írás/olvasás műveleteknek a kombinálásával a fizikusoknak sikerült egy üzenetvivő foton alkalmazásával eljuttatniuk egy kubitet egy rubídium atomtól egy 21 méterre elhelyezkedő másik laboratóriumba. A két csomópontot összekötő optikai szál tényleges hossza 60 méter volt. Az út során jelentős számú foton veszett el, limitálva az eljárás hatékonyságát, az alapelvet tekintve azonban az optikai szálak nagyobb távolságokon is képesek összekötni a csomópontokat. "Egyáltalán nem vagyunk lekorlátozva erre a 21 méterre" - hangsúlyozta Ritter. "Ez csupán az a távolság, ami éppen a két laboratórium között van"

A kutatók azt is demonstrálták, hogy fotonos kapcsolatuk két távoli atom kvantumállapotának manipulálásához is alkalmazható. A kvantummechanikai összefonódás az a jelenség, amiben két részecske megosztja korrelatív tulajdonságait, más szavakkal az egyik részecske kvantumállapota függ összefonódott partnerének állapotától. Az egyik részecske manipulálása ezáltal hatással van a másik részecske állapotára, függetlenül azok távolságától. A két hálózati csomópont közötti összefonódás eléréséhez az „A” atomból kibocsátott foton polarizációja összefonódott az atomi kvantumállapottal. Amint a foton elnyelődött ez az összefonódás átadódik a „B” atomnak. Valójában ez volt az első alkalom, hogy kvantum-összefonódást sikerült elérni egymástól ilyen nagy távolságban elhelyezkedő masszív részecskék között, létrehozva a világ „legnagyobb”, masszív részecskékből álló kvantumrendszerét.

„Megvalósítottuk egy kvantumhálózat első prototípusát” - összegzett Ritter. „Megfordítható kvantuminformáció átvitelt értünk el a csomópontok között, ezen felül elő tudunk idézni távoli összefonódást a két csomópont között, amit 100 mikroszekundumon át fenn is tudunk tartani, míg az összefonódás létrehozása mindössze egyetlen mikroszekundumot vesz igénybe. Két egymástól nagy távolságban elhelyezkedő rendszer összefonódása önmagában is lenyűgöző, mindazonáltal a kvantuminformáció teleportálásának egy erőforrásaként is szolgálhat, ami egy nap nem csupán a kvantuminformáció nagy távolságokon keresztüli kommunikációját, de akár egy egész kvantum-internetet is lehetővé tehet”