Een groep onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart (Duitsland) heeft een belangrijke stap gezet richting de ontwikkeling van een praktisch kwantuminternet. Ze hebben voor het eerst kwantuminformatie gedemonstreerd tussen fotonen die zijn uitgezonden door twee verschillende kwantumpunten. Deze doorbraak biedt een oplossing voor een van de grootste uitdagingen bij de creatie van kwantumrepeaters, die noodzakelijk zijn voor het uitbreiden van kwantumcommunicatie via glasvezelnetwerken over lange afstanden.
Kwantumcommunicatie maakt gebruik van afzonderlijke fotonen, waarvan de polarisatie informatie in de vorm van nullen en enen codeert. Elke poging om deze toestand te lezen of te onderscheppen laat “sporen” achter, wat het systeem op principe zeer veilig maakt. Echter, fotonen verzwakken tijdens hun reis door glasvezelkabels, en kwantuminformatie kan niet worden gekopieerd of versterkt.
Kwantumrepeaters zijn ontworpen om deze informatie te herstellen via teleportatie, maar dit proces vereist vrijwel identieke fotonen uit verschillende bronnen. Het team uit Stuttgart heeft dit probleem opgelost met behulp van halfgeleider “eilandjes” van nanometergrootte – kwantumpunten. Deze kwantumpunten genereren afzonderlijke fotonen met specifieke eigenschappen.
De wetenschappers zijn erin geslaagd om kwantuminformatie over te dragen tussen fotonen die uit twee verschillende kwantumpunten kwamen. Voor dit project samenwerkten ze met het Leibniz Instituut voor Materiaalkunde in Dresden, waar bijna identieke kwantumpunten zijn vervaardigd. Zoals Tim Strobel, de hoofdonderzoeker, opmerkt: “Lichtquanta uit verschillende kwantumpunten zijn nooit eerder geteleporteerd, omdat dit een zeer complexe taak is.” Hij voegt eraan toe dat de vastgestelde energetische niveaus binnen kwantumpunten het mogelijk maken om op aanvraag duidelijk gedefinieerde fotonen te genereren.
Om de teleportatie te demonstreren, produceerde één kwantumpunt een enkel foton, terwijl een ander een paar verstrengelde fotonen genereerde. Eén foton uit het paar reisde door een glasvezelkabel van 10 meter en interageerde met het afzonderlijke foton. Deze interactie droeg de polaristatietoestand over naar het verre partnerfoton. Kwantumfrequentie-converters corrigeerden de resterende frequentieverschillen, zodat de fotonen ononderscheidbaar bleven.
“De overdracht van kwantuminformatie tussen fotonen uit verschillende kwantumpunten is een belangrijke stap in het overbruggen van grote afstanden,” aldus professor Peter Michler. Eerdere experimenten van dezelfde groep behielden kwantumverstrengeling over een afstand van 36 kilometer in een glasvezelkabel in Stuttgart, wat de mogelijkheid aantoont om het systeem over lange afstanden uit te rollen. De huidige opstelling teleporteert informatie met een succespercentage van iets meer dan 70%. Het team streeft ernaar om dit percentage te verbeteren door de kwantumpunten te stabiliseren en de fabricagemethoden van halfgeleiders te verfijnen.
