Lomittumista 50 kilometrissä valokuitua

Tulevien vuosien aikana voitaisiin rakentaa maailman ensimmäinen kaupunkien välinen valo-aine kvanttiverkko.

Innsbruckin yliopiston fyysikon Ben Lanyonin johtama ryhmä on lähettänyt ensimmäistä kertaa valohiukkasen, joka on lomittunut aineen kanssa yli 50 kilometrin matkan verran valokuidussa. Tämä avaa tietä kvanttiverkkojen käytännölliselle käytölle ja asettaa virstanpylvään tulevalle kvantti-internetille.

Kvantti-internet lupaa salakuuntelemattoman viestinnän sekä tehokkaat hajautetut anturiverkot uutta tiedettä ja tekniikkaa varten. Kvantti-informaatio on kuitenkin välitettävä kvanttihiukkasilla ja siihen tarvitaan erityisiä rajapintoja.

Ben Lanyonin tutkijaryhmä Innsbruckista ja Itävallan tiedeakatemian kvanttioptiikan ja kvantti-informaation instituutista on saavuttanut ennätysmäisen aineen (ionit) ja valon välisen kvanttilomittumisen siirtymisen.

Ensimmäistä kertaa 50 kilometrin matka katettiin kuituoptisella kaapelilla. "Tämä on kaksi suuruusluokkaa pidempi kuin aiemmin oli mahdollista ja on käytännöllinen etäisyys kaupunkien välisten kvanttiverkkojen rakentamisen aloittamiseen", Ben Lanyon kertoo.

Lanyonin ryhmä aloitti kokeilun ioniansoitetulla kalsiumatomilla. Lasersäteiden avulla tutkijat kirjoittavat kvanttitilan ionille ja virittävät samanaikaisesti sen emittoimaan fotonia, johon kvantti-informaatio tallennetaan. Seurauksena atomin ja valohiukkasen kvanttitilat ovat lomittuneet.

Mutta haasteena on fotonin välittäminen valokuidussa. "Kalsiumionin emittoiman fotonin aallonpituus on 854 nanometriä ja optinen kuitu absorboi sen nopeasti", selvittää Ben Lanyon. Siksi valohiukkanen siirretään aluksi epälineaarisen kiteen läpi, jota valaisee voimakas laser. Tällä tavalla fotonin aallonpituus muunnetaan optimaaliseksi pitkän etäisyyden matkoille: nykyisen tietoliikenteen standardille aallonpituudelle 1550 nanometriä.

Sitten tutkijat lähettävät tämän fotonin 50 kilometrin pituisen valokuituun. Mittaukset osoittivat, että atomi- ja valohiukkaset olivat edelleen lomittuneet aallonpituuden muuntamisen ja näinkin pitkän matkan jälkeen.

Seuraavana askeleena Lanyon ja hänen tiiminsä osoittavat, että heidän menetelmänsä mahdollistaisi lomittuvuuden ionien välille 100 kilometrin päässä toisistaan. Kaksi solmua lähettää kumpikin lomittuneen fotonin 50 kilometrin etäisyydellä olevaan yhteyskohtaan, jossa valopartikkelit mitataan siten, että ne menettävät lomittumisensa ionien kanssa, mikä vuorostaan lomittaa ne.

Koska nyt on mahdollisuus 100 kilometrin etäisyyksiin solmupisteistä, voitaisiin siksi suunnitella seuraavien vuosien aikana maailman ensimmäisen intercity valo-aine kvanttiverkon rakentaminen: vain kourallinen loukkuun jääneitä ionijärjestelmiä vaaditaan matkalla kvantti-internetin perustamiseksi esimerkiksi Wien ja Innsbruckin välille.

Aiheesta aiemmin:

Eriväristen fotonien lomittaminen

Verkostoituminen menee kvanttiseksi

Kvanttitilan siirto ja kvantti-internetti