A fizikusok több mint egy tucat fotont hatékonyan összekuszálnak

A Max Planck Kvantumoptikai Intézet fizikusainak több mint egy tucat fotont sikerült hatékonyan és meghatározott módon összekuszálniuk. Ezzel lefektetik egy új típusú kvantumszámítógép alapjait. Tanulmányukat ben tették közzé Természet.

A kvantumvilág jelenségei, amelyek a hétköznapi világ szemszögéből gyakran bizarrnak tűnnek, már régóta betörtek a technológiába. Például összefonódás: olyan kvantumfizikai kapcsolat a részecskék között, amely furcsa módon köti össze őket tetszőlegesen nagy távolságokon. Használható például egy kvantumszámítógépben – egy olyan számológépben, amely a hagyományos számítógépekkel ellentétben számos matematikai műveletet tud egyszerre végrehajtani. A kvantumszámítógép nyereséges használatához azonban nagyszámú összegabalyodott részecskének együtt kell működnie. Ezek a számítások alapelemei, az úgynevezett qubitek.

“A fotonok, a fényrészecskék különösen alkalmasak erre, mert természetüknél fogva robusztusak és könnyen manipulálhatók” – mondta Philip Thomas, a Max Planck Kvantumoptikai Intézet (MPQ) doktorandusza a München melletti Garchingban. A Gerhard Rempe professzor által vezetett Quantum Dynamics Division munkatársaival együtt most sikerült fontos lépést tennie a fotonok hasznosíthatóvá tétele felé olyan technológiai alkalmazásokban, mint például a kvantumszámítás: a csapat most először állított elő akár 14 összegabalyodott fotont meghatározott módon és nagy hatékonysággal.

Egy atom fotonforrásként

“Ennek a kísérletnek a trükkje az volt, hogy egyetlen atomot használtunk a fotonok kibocsátására, és nagyon specifikus módon összefontuk őket” – mondja Thomas. Ennek érdekében a Max Planck kutatók egy rubídium atomot helyeztek el egy optikai üreg közepén – egyfajta visszhangkamrát az elektromágneses hullámok számára. Egy bizonyos frekvenciájú lézerfénnyel pontosan meg lehetett határozni az atom állapotát. Egy további vezérlőimpulzussal a kutatók egy olyan foton kibocsátását is kiváltották, amely összefonódott az atom kvantumállapotával.

„Ezt a folyamatot többször megismételtük, előre meghatározott módon” – számol be Thomas. Közben az atomot bizonyos módon manipulálták – szakzsargonban: forgatták. Ily módon akár 14 könnyű részecskéből álló láncot lehetett létrehozni, amelyek az atomi forgások hatására összegabalyodtak és kívánt állapotba kerültek. “Tudomásunk szerint a 14 egymással összekapcsolt fényrészecske jelenti az eddigi legnagyobb számú összegabalyodott fotont, amely a laboratóriumban keletkezett” – mondja Thomas.

Determinisztikus generálási folyamat

De nemcsak az összegabalyodott fotonok mennyisége jelent fontos lépést a nagy teljesítményű kvantumszámítógépek fejlesztése felé, hanem a generálás módja is nagyban eltér a hagyományos módszerektől. “Mivel a fotonok lánca egyetlen atomból származik, determinisztikus módon is előállítható” – magyarázza Thomas. Azaz: elvileg minden vezérlő impulzus ténylegesen a kívánt tulajdonságokkal rendelkező fotont szállítja le. A fotonok összefonódása eddig többnyire speciális, nemlineáris kristályokban ment végbe. A hiányosság: itt jönnek létre a fényrészecskék lényegében véletlenszerűen és nem irányítható módon. Ez korlátozza a kollektív állapotba köthető részecskék számát is.

Ezzel szemben a Garching-csapat által alkalmazott módszer alapvetően tetszőleges számú összegabalyodott fotont képes generálni. Ezen túlmenően a módszer nagyon hatékony – egy másik fontos intézkedés a lehetséges jövőbeni műszaki alkalmazásokhoz: „Az előállított fotonlánc mérésével közel 50%-os hatékonyságot tudtunk igazolni” – mondja Philip Thomas. Ez azt jelenti, hogy szinte minden második “gombnyomás” a rubídium atomon hasznos fényrészecskét termelt – sokkal többet, mint amennyit a korábbi kísérletek során elértek. „Összességében munkánk elhárít egy régóta fennálló akadályt a méretezhető, mérésen alapuló kvantumszámítástechnika felé vezető úton” – mondta Gerhard Rempe osztályigazgató.

Több hely a kvantumkommunikációnak

Az MPQ tudósai egy újabb akadályt akarnak elhárítani. Például az összetett számítógépes műveletekhez legalább két atomra lenne szükség fotonforrásként a rezonátorban. A kvantumfizikusok kétdimenziós halmazállapotról beszélnek. „Már dolgozunk a feladat megoldásán” – mondja Philip Thomas.

Max Planck kutatója azt is hangsúlyozza, hogy a lehetséges technikai alkalmazások messze túlmutatnak a kvantumszámítástechnikán: “Egy másik alkalmazási példa a kvantumkommunikáció” – az információ érintésálló átvitele, például fény útján egy optikai szálban. Ott a fény elkerülhetetlen veszteségeket szenved a terjedés során olyan optikai hatások miatt, mint a szórás és az abszorpció, amelyek korlátozzák az adatok átvitelének távolságát. A Garchingban kifejlesztett módszer segítségével a kvantuminformáció összegabalyodott fotonokba csomagolható, és bizonyos mértékű fényveszteséget is túlélhet – és biztonságos kommunikációt tesz lehetővé nagyobb távolságokon.