Znajdź zawartość

Fizykom z uniwersytetu w São Paulo, Erlangen-Nuremberg i Instytutu Maksa Plancka udało się doprowadzić do kwantowego splątania trzech wiązek światła o różnych długościach. Dotychczas udawało się to w przypadku dwóch wiązek, a autorzy badań mówią, że dopiero trzy splątane wiązki mogą służyć jako węzły przyszłych sieci kwantowych. Nad komputerami i sieciami kwantowymi pracuje wiele grup badawczych. Prowadzą one bardzo różne projekty i już teraz możemy stwierdzić, że żadne pojedyncze rozwiązanie nie pozwoli na zbudowanie kwantowych sieci i maszyn. Każde z nich ma pewne zalety, ale i wady. Stąd też najprawdopodobniej systemy kwantowe będą systemami hybrydowymi, wykorzystującymi różne rozwiązania do osiągnięcia jednego celu. Jak mówi Paulo Nussenzveig z uniwersytetu w São Paulo, wśród obiecujących kandydatów do budowy systemów kwantowych znajdują się techniki tworzenia pułapek jonowych, kropki kwantowe, polarytony. W badaniach wykorzystuje się też nadprzewodniki, pole magnetyczne czy mikrofale. To obrazuje stopień skomplikowania i pokazuje, iż prawdopodobnie będziemy mieli do czynienia z systemem, na który złoży się wiele rozwiązań. Jednak rozwiązania te będą charakteryzowały się różnymi właściwościami, a więc w różny sposób będzie przebiegała ich interakcja ze światłem. Stąd konieczność stworzenia systemu przesyłu informacji, który poradzi sobie z tym zadaniem i dlatego tak ważne są badania przeprowadzone przez niemiecko-brazylijski zespół. By to zobrazować, Nussenzveig posługuje się następującym przykładem. Wyobraźmy sobie, że chcemy przesłać informację składowaną w atomach rubidu do odległego węzła sieci. Atomy drgają w odpowiedzi na światło o długości 780 nanometrów, ale fala taka słabo rozprzestrzenia się w sieciach optycznych. Musimy więc zmienić jej długość na 1550 nm. A na drugim końcu łącza mamy kropki kwantowe, w których chcemy zapisać przesłane informacje. Kropki reagują na światło o długości fali 800 nm. Dzięki splątaniu trzech fal możemy dokonać takiej operacji. Dodaje przy tym, że to, co zostało obecnie osiągnięte to jedynie dowód, że splątanie trzech długości fali jest możliwe. Na razie techniki tej nie da się wykorzystać w praktyce. Splątania trzech fali dokonano za pomocą parametrycznego oscylatora optycznego. Naukowcom udało się dzięki niemu uzyskać fale o długości 532, 1062 i 1066 nanometrów. Podczas badania splątanych fali okazało się, że czasem może dość do nagłej utraty stanu splątania, co zaburzy komunikację. Kolejne eksperymenty dowiodły jednak, że nie zdarza się to przy każdych częstotliwościach, co oznacza, że stany splątane nie mają identycznej natury. Ta obserwacja będzie przydatna na innych polach, gdyż wskazuje, że jeszcze jest sporo do odkrycia na temat natury i dynamiki splątania kwantowego. Większość ludzi sądzi, że wiemy już niemal wszystko o splątanych stanach Gaussa. My jednak zaobserwowaliśmy dwa stany Gaussa, oba ze splątaniem trzech elementów, które charakteryzowały się różną trwałością. Miały więc różne właściwości. Dlaczego tak się dzieje? Jak możemy przewidzieć, czy pewne splątane stany Gaussa będą trwałe czy też nie? Sądzimy, że ciągle czeka nas znalezienie odpowiedzi na podstawowe pytania - mówi Nussenzveig.

Upowszechnienie się kwantowych systemów komunikacyjnych to wciąż odległa przyszłość. Jedną spośród wielu trudności, na jakie napotyka ich rozwój, jest znalezienie sposobu na doprowadzenie do zderzenia niosącego informację fotonu z atomem. Wówczas dojdzie do przekazania informacji niesionej przez światło lub też do przeprowadzenia obliczeń. Trafienie w mały atom za pomocą jeszcze mniejszego fotonu jest jednak bardzo trudne. Obecnie atomy zamyka się w niewielkich pułapkach, składających się z szeregu luster. Foton, po wpadnięciu w pułapkę, nie może się z niej wydostać i odbija się pomiędzy lustrami tak długo, aż trafi w atom. Metoda ta jest kosztowna i mało efektywna. Średnio dochodzi do miliona odbić fotonu przed trafieniem w atom. Dzięki pracom naukowców z singapurskiego Instytutu Badań Materiałowych i Inżynierii oraz Uniwersytetu Technicznego w Monachium powstał znacznie prostszy i tańszy system, który pozwala na wywołanie interakcji pomiędzy światłem a materią. W próżniowej komorze akademicy uwięzili atom rubidu pomiędzy dwoma asferycznymi soczewkami, podobnymi do tych, które wykorzystywane są w standardowych odtwarzaczach CD. Pułapka ma szerokość kilkudziesięciu nanometrów. Dzięki soczewkom możliwe było precyzyjne skupienie wiązki światła na pułapce. Mimo, iż wiązka ta jest wielokrotnie większa niż pojedynczy atom rubidu, uzyskano dużą wydajność całego systemu. Aż 10% fotonów trafiło w atom. Udało się to dzięki odpowiedniemu dobraniu długości fali światła tak, by odpowiadało ono atomowi. Uczeni mówią, że metaliczny atom zadziałał jak antena nastrojona do wykrywania sygnału z wiązki. Zdaniem naukowców możliwe będzie zwiększenie efektywności systemu do około 100%. Wystarczy bowiem udoskonalić soczewki. Dzięki temu uzyskamy tanią i prostą alternatywę dla wykorzystywanych obecnie lustrzanych pułapek.

Uczeni z uniwersytetu w Tsukubie i Japońskiej Agencji Nauki i Technologii zaproponowali metodę podsłuchania komunikacji kwantowej. Zdobycie całego klucza kwantowego jest teoretycznie niemożliwe, gdyż podczas próby podsłuchu ulegnie on zniszczeniu. Jednak, jak pokazali Japończycy, możliwe jest skopiowanie jego części. Oczywiście również i takie działanie go zaburzy, jednak nieprawidłowości będą mieściły się w dopuszczalnym zakresie. Japończycy zaproponowali użycie do podsłuchu zestawu spolaryzowanych zwierciadeł półprzezroczystych i skorzystania ze zjawiska optycznego klonowania kwantowego, które wykorzystuje dwoistą naturę światła do sklonowania pewnych właściwości fotonów. Opracowana przez Japończyków metoda, podobnie jak inny sposób na podsłuchanie kwantowej komunikacji, o którym pisaliśmy niedawno, ma jednak podstawową słabość - bardzo trudno zastosować ją w praktyce.