A Max Planck Intézet Fény Tudományi részlegének fizikusai egy speciális kísérletben bizonyították, hogy a kvantumösszefonódás szubatomi jelensége stabilabban működik, mint azt korábbi megfigyelések alapján feltételezték, vagyis a részecskéknek ez a különleges állapota nem csak nagy távolságokon, hanem frekvenciákon át is megőrizhető. Az összefonódás az a kvantumfizikai jelenség, mikor két részecske valamilyen impulzus, például lézer hatására speciális állapotba kerül és olyan alapvető módon kezdenek kapcsolódni egymáshoz, hogy az állapotuk lényegében megegyezik: ilyenkor az egyik részecske állapota (például a spinje vagyis lendülete) a másikét is meghatározza, legyenek akár egészen messze egymástól.

Többek között ez a valószínűtlen, de mégis sok kísérletben bizonyítottan működő jelenség teszi lehetővé, hogy a kvantumrendszerek alkalmasak az információmegosztásra és hozzájárulhat újfajta és biztonságos titkosítási módszerek létrehozásához is. Mivel az egyik qubit állapotának változtatása (ami az információközvetítésbe való "belehallgatás" során bekövetkezhet) az összefonódás megbontását eredményezi, az illetéktelen betolakodók jelenléte azonnal kiderül a rendszer használói számára. Az összefonódás törékeny jellege az információmegosztás szempontjából azonban problémát is jelenthet és hibákat eredményezhet a kvantumrendszerek jeleinek kiolvasása során.

Most viszont a Max Planck Intézet kísérletéből kiderült, hogy az összefonódás nem csak nagy térbeli távolságokon át tud működni, hanem akkor is, ha az egyik részecske frekvenciáját megváltoztatják. Ez a felfedezés rávilágít, hogy az eddig instabilnak gondolt kapcsolat bizonyos körülmények között robosztusabb tud lenni és jobban ellenáll a környezet zajainak.

A vizsgálatban fotonikus kristályszálakat hidrogénnel töltöttek fel és ezen a csatornán küldtek át 1064 nanométeres lézerimpulzusokat, de előtte egy részüket eltérítették, hogy a segítségükkel fotonok párjait az összefonódás állapotába hozzák. A fotonok egyik csoportja 1425 nanométeres hullámhosszon, a másik 849 nm-en működött, a lézersugár fennmaradó része pedig a szálakon belül fononokat generált, amelyek a csatornán áthaladó 1425 nm-es fotonokkal interakcióba léptek. A fononokkal való kapcsolat változtatott a fotonok energiáján és ennek hatására a részecskék mozgása módosult, jelentős mértékű vörös-, illetve kékeltolódás volt megfigyelhető a hullámhosszuk tekintetében. A vöröseltolódás egy elektromágneses jel hullámhosszának növekedését, a kékeltolódás a csökkenését jelenti, és a fotonokat az utóbbinak, tehát a kékeltolódásnak köszönhetően sikerült a másik részecske hullámhosszának közelébe hozni, egészen 894 nanométeres hullámhosszra.

A mérések során kiderült, hogy a párok összefonódott állapota nem tört meg, annak ellenére, hogy a kristályszálon áthaladó fotonok frekvenciája a folyamat alatt 125 THz-cel növekedett. A módszer nagy előnye a kutatók szerint az, hogy a frekvenciaváltoztatáshoz nincs szükség különleges berendezésre vagy technológiákra, egyszerűen a szálakban lévő gáz nyomásának módosítása vagy a lézer frekvenciájának változtatása is elegendő a fononok frekvenciájának variálásához, és ezzel a fotonok transzformációjához. De miért szükséges a fotonok frekvenciamódosítása egy kvantumművelet alatt?

"Telekommunikációs hullámhosszokon - nagyjából 1,5 mikronon - nagyon nehéz jó kvantumdetektorokat működtetni.

Egyetlen foton detektálásához a látható fény hullámhosszán jobb méréseket végezni, ahol a detektorok sokkal érzékenyebbek és kevésbé zajosak." - magyarázta Philip Russel, a Max Planck Intézet kutatója. Vagyis a hullámhossz és frekvencia változtatása a megbízhatóbb méréseket és kvantuminformációátadást segítheti elő, aminek különösen olyan rendszerekben lehet jelentősége, ahol a fény különböző hullámhosszainak használatát valahogy összhangba kell hozni. A kutatók a felfedezett módszer felhasználását elsősorban a kvantum kulcsmegosztási technológiák területén kamatoztatnák, ami a jövőbeli titkosítási alkalmazások fejlődését segítheti elő.

(Physics World Fotó: Pixabay/insspirito, Getty Images/vichai)

A lemásolhatatlan foton a titkosítás alapja a jövő kvantumkulcscsere-hálózatában Kelenföldről indultak két kilométeres útjukra a fotonok a jövő kvantumhálózatának tesztje során.