Vědci vyvinuli novou metodu generování téměř nerozeznatelných fotonů pro kvantovou komunikaci

Tým vědců z Univerzity Paderborn, Univerzity Basilej a Univerzity Ruhr v Bochumi vyvinul novou metodu pro generování téměř nerozeznatelných fotonů, kterou by bylo možné využít v kvantové komunikaci. Výsledky výzkumu byly publikovány v odborném časopise Physical Review Letters.

Vědci se zaměřili na jeden ze zásadních problémů současné kvantové technologie – schopnost vytvářet jednotlivé fotony a páry fotonů, které jsou si vzájemně téměř dokonale podobné. Právě tato vlastnost, označovaná jako nerozlišitelnost částic, je totiž klíčovým předpokladem pro jevy, na nichž kvantová komunikace a výpočetní technika stojí.

Nerozlišitelné fotony tvoří základ pro kvantové provázání a kvantovou interferenci, dva fenomény, bez nichž by praktické využití kvantových technologií nebylo možné. Pokud se dva fotony od sebe liší – byť jen nepatrně, například v energii, polarizaci nebo časovém profilu – dochází k narušení kvantových jevů, na kterých závisí přenos informace nebo provádění výpočtů v kvantových systémech. Čím vyšší je míra nerozlišitelnosti generovaných fotonů, tím spolehlivěji a efektivněji lze tyto technologie v praxi realizovat.

K dosažení svého výsledku výzkumníci využili speciální polovodičové nanostruktury, které slouží jako zdroj jednotlivých fotonů i jejich párů. Tyto nanostruktury umožňují generovat světelné částice s vlastnostmi, jež se blíží teoretickému ideálu naprosté shody. Právě polovodičové materiály jsou v oboru kvantové optiky považovány za slibnou platformu, protože nabízejí možnost kontrolovaného a opakovatelného generování fotonů v pevném stavu, na rozdíl od jiných přístupů založených například na atomech nebo iontech zachycených v elektromagnetických pastech.

Nová metoda popsaná v Physical Review Letters přináší vylepšení v kvalitě generovaných fotonů, což by mohlo mít praktické dopady na vývoj kvantových sítí a bezpečné komunikační kanály využívající kvantovou kryptografii. V takových systémech je nutné přenášet kvantové stavy fotonů na dlouhé vzdálenosti, přičemž každá odchylka mezi jednotlivými částicemi snižuje přesnost a spolehlivost celého přenosu.

Výzkum rovněž podporuje snahy o budování takzvaného kvantového internetu – sítě, která by umožňovala propojení kvantových počítačů a zařízení prostřednictvím kvantově provázaných stavů. Tato vize vyžaduje zdroje fotonů, jejichž vlastnosti budou konzistentní a reprodukovatelné na úrovni jednotlivých částic, což je přesně oblast, na kterou se zaměřil tým z Paderbornu, Basileje a Bochumi.

Spolupráce mezi třemi evropskými univerzitami demonstruje rostoucí význam mezinárodní spolupráce v oblasti kvantových technologií, kde jednotlivá pracoviště kombinují své know-how v oblasti materiálové vědy, kvantové optiky a teoretické fyziky. Výsledky zveřejněné v Physical Review Letters, jednom z nejprestižnějších časopisů v oboru fyziky, naznačují, že vývoj polovodičových zdrojů fotonů postupuje směrem k praktickému nasazení v reálných kvantových systémech.

Přestože zůstává řada technických výzev, například zvyšování účinnosti generování fotonů nebo integrace zdrojů do větších fotonických obvodů, popsaný pokrok představuje další krok k realizaci spolehlivých a škálovatelných kvantových komunikačních sítí. Podobné výzkumy se v posledních letech objevují na několika předních pracovištích po celém světě a odrážejí intenzivní zájem o praktické využití kvantové fyziky nad rámec laboratorních experimentů.