Ett starkt invariant tillstånd bland sköra kvanttillstånd
Kvanttillstånd är i allmänhet mycket sköra och förstörs lätt av brus. Det finns dock kvanttillstånd som tål mycket mer brus än andra, så kallade invarianta tillstånd. Fysikerna Magnus Rådmark och Mohamed Bourennane vid Stockholms universitet har nyligen lyckats generera ett högkvalitativt invariant tillstånd i sex sammanflätade fotoner, ett tillstånd som har potentiella tillämpningar inom kvantdatorer och speciellt inom kvantkommunikation och -kryptografi.
– Exempelvis gör tillståndets invarians att det är immunt mot vissa typer av brus och det är därför särskilt lämpligt att använda för kommunikation av kvantinformation när man har dåliga ledningar eller saknar en gemensam referensram, berättar Magnus Rådmark, Fysikum, Stockholms universitet.
Kvantinformation har förutsättningar att tillhandahålla villkorslöst säker kommunikation, med hjälp av kvantkryptografi, och förmågan att utföra vissa beräkningsuppgifter, exempelvis att faktorisera stora tal, mycket effektivare och snabbare än med konventionella datorer.
För att åstadkomma detta måste man kunna bearbeta och kommunicera kvantinformation som är baserad på superpositioner av kvanttillstånd. Dessa kvantsuperpositioner är dock mycket sköra och kan lätt förstöras av dekoherensprocesser. Sådant okontrollerbart brus orsakar störningar i kommunikationer eller fel i beräkningar.
– Det finns dock sätt att övervinna dekoherens. Till exempel om interaktionen mellan en kvantbit och dess omgivning, oavsett styrka, uppvisar någon symmetri, så finns det kvanttillstånd som är invarianta under denna interaktion. Dessa tillstånd kallas dekoherensfria tillstånd och möjliggör skydd av kvantinformation, berättar Mohamad Bourennane, Fysikum, Stockholms universitet.
Ett av två kvanttillstånd av sex sammanflätade fotoner som Magnus Rådmark och Mohamed Bourennane nyligen har genererat innehar denna sorts symmetri, som gör det rotationsinvariant.
– Detta innebär att hur mycket man än vrider och vänder på fotonerna, förutsatt att alla sex fotoner får utstå samma behandling, så kommer det totala tillståndet, det vill säga superpositionen av de sex fotonerna, inte att ändras. Denna rent kvantmekaniska egenskap gör det möjligt koda kvantinformation, så kallade kvantbitar, i en dekoherensfri miljö. Dessutom är detta specifika sex-foton-tillstånd tillräckligt stort för att möjliggöra brusfri kodning av sammanflätade tillstånd, säger Magnus Rådmark.
Experimenten utfördes i Fysikum, Stockholms universitet och delar av det teoretiska arbetet utfördes i samarbete med professor Marek Zukowski vid universitetet i Gdansk i Polen.
En relaterad fråga är den om kommunikation utan en gemensam referensram. Till exempel så skulle den riktning som pekar ”upp” i Stockholm, kunna peka ”ner” i Nya Zeeland, eller åt ”höger”, ”vänster” eller ”bakåt” i Indien, det vill säga referensramarna skiljer sig åt. Det kan dessutom bli än mer komplicerat om en av de inblandade parterna kretsar runt jorden i en satellit eller sitter på månen, eller befinner sig ännu längre ut i rymden. Andra komplikationer som ger liknande besvär kan vara en fiberkommunikationskanal där polarisationen hos ljuset ständigt förändras på grund av termiska och mekaniska svängningar. Även i dessa scenarier kan dekoherens-fria tillstånd användas, eftersom de är immuna mot denna typ av brus.
En annan intressant tillämpning av de rapporterade sex-foton sammanflätade tillstånden är kvantmekanisk telekloning, som kombinerar de två protokollen för kvantteleportering och optimal kvantkloning.
– Genom kvantteleportering kan ett okänt kvanttillstånd, det vill säga en kvantbit, teleporteras till en avlägsen plats med hjälp av kvantsammanflätning. I kvantmekaniken kan en okänd kvantbit inte kopieras exakt, men det finns möjligheter att få en kopia med begränsad kvalitet. Med hjälp av ett av sex-foton-tillstånden kan kvanttelekloning utföras, där optimala kopior av en original-kvantbit kan frambringas vid tre olika platser, säger Mohamad Bourennane.
I tre artiklar, nyligen publicerade i de vetenskapliga tidskrifterna Physical Review Letters (PRL), Physical Review A Rapid Communications (PRA) och New Journal of Physics (NJP), presenteras nya resultat av sex-foton-interferens med utomordentligt hög kontrast. Tillståndens kvalitet är markant högre än alla tidigare sex-partikel-sammanflätningar, oavsett fysikaliska system (fotoner eller joner). Även resultat av fem-foton-interferens presenteras. Dessutom har arbetet blivit framhållet som exceptionell forskning av American Physical Society, som låtit skriva en sammanfattande artikel för en bredare forskarpublik i sin årliga upplaga av tidskriften Physics.
Kontaktinformation
Ytterligare information
Magnus Rådmark, doktorand i fysik, Fysikum, Stockholms universitet, AlbaNova Universitetscentrum, tfn 08 – 55 37 87 04, 070-363 92 36, e-post radmark@fysik.su.se
Mohamed Bourennane, docent i fysik, Fysikum, Stockholms universitet, AlbaNova Universitetscentrum, tfn 08 – 55 37 87 36, 070-56 52 730, e-post boure@fysik.su.se
För bilder, kontakta universitetets presstjänst, tfn 08-164090, e-post press@su.se.
