Een internationaal team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van de Universiteit Paderborn, heeft een belangrijke mijlpaal bereikt op weg naar een kwantuminternet. Voor het eerst hebben ze met succes de polarisatietoestand van een enkel foton van de ene kwantumdot naar een andere fysiek gescheiden dot geteleporteerd. In lekentaal: ze lieten de eigenschappen van het ene foton overspringen naar het andere via kwantumteleportatie, wat klinkt als iets uit Star Trek, maar eigenlijk gewoon natuurkunde is die staat te pronken.
Het experiment gebruikte een vrije-ruimte optische verbinding van 270 meter om de systemen te koppelen, en de resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications. Promovendi en postdocs aan Paderborn hebben ongeveer tien jaar besteed aan optische metingen, data-analyse en evaluatie, in nauwe samenwerking met het team van professor Rinaldo Trotta aan de Sapienza Universiteit van Rome.
"Het experiment toont op indrukwekkende wijze aan dat kwantumlichtbronnen op basis van halfgeleider-kwantumdots kunnen dienen als sleuteltechnologie voor toekomstige kwantumcommunicatienetwerken," legde professor Klaus Jöns uit, hoofd van de onderzoeksgroep 'Hybride Fotonica Kwantumapparaten' aan Paderborn. "Succesvolle kwantumteleportatie tussen twee onafhankelijke kwantumzenders is een cruciale stap naar schaalbare kwantumrelais en dus de praktische implementatie van een kwantuminternet."
De doorbraak was mogelijk dankzij bijdragen van verschillende Europese onderzoekscentra. Kwantumdots werden ontwikkeld aan de Johannes Kepler Universiteit Linz, resonator-nanofabricage vond plaats aan de Universiteit van Würzburg, en de teleportatie-experimenten vonden plaats aan de Sapienza Universiteit van Rome, waar wetenschappers twee gebouwen verbonden met die 270 meter vrije-ruimte optische link. Het systeem gebruikte GPS-ondersteunde synchronisatie, ultrasnelle enkelfotondetectoren en stabilisatiemethoden om atmosferische turbulentie tegen te gaan. De bereikte teleportatietoestandsfidelity bedroeg tot 82 ± 1%, wat de klassieke limiet met meer dan 10 standaarddeviaties overschrijdt - wat wetenschappelijk is voor "we zijn er vrij zeker van dat dit werkte."
Deze prestatie opent de deur naar 'verstrengelingswisseling' tussen twee kwantumdots, wat het eerste kwantumrelais zou creëren met behulp van twee deterministische bronnen van verstrengelde fotonparen. Deterministische bronnen kunnen betrouwbaar enkele fotonen produceren, bijna op aanvraag, hoewel de ontwikkeling ervan een grote uitdaging is geweest - want natuurlijk is niets in de kwantummechanica ooit gemakkelijk.
Toevallig rapporteerde een ander onderzoeksteam uit Stuttgart en Saarbrücken bijna gelijktijdig een vergelijkbare prestatie met behulp van frequentieconversie. Samen markeren deze resultaten een belangrijke mijlpaal voor kwantumonderzoek in Europa en brengen ze de visie van een functioneel kwantuminternet dichter bij de werkelijkheid - ervan uitgaande dat de werkelijkheid niet te veel in de war raakt met zichzelf.