Bell nonlocality with directly generated telecom-band spin-photon entanglement

Stellen Sie sich das Internet als ein riesiges, unsichtbares Netz aus Informationen vor, aber anstatt über Kupferdrähte oder Radiowellen zu reisen, bewegen sich die geheimsten und mächtigsten Nachrichten der Zukunft als winzige Lichtpakete, die Photonen genannt werden. Um ein „Quanteninternet“ zu bauen – ein Netzwerk, das Dinge leisten kann, von denen unsere heutigen Computer nur träumen können, wie etwa unknackbare Verschlüsselung und superschnelle Berechnungen –, müssen wir diese Lichtpakete über lange Strecken senden. Das Problem ist, dass Licht auf seinem Weg durch Glasfasern verloren geht oder gestreut wird, ähnlich wie ein Flüstern in einer lauten Menge untergeht. Um dies zu beheben, haben Wissenschaftler eine spezielle „stille Zone“ in der Welt der Glasfaser gefunden, das „Telekom-C-Band“, in dem Licht mit fast gar keinem Verlust reist.

Aber es gibt einen Haken. Die besten „Fabriken“ für die Herstellung dieser speziellen Lichtpakete sind normalerweise Atome, und die meisten Atome bevorzugen es, in einer anderen „Sprache“ (Wellenlänge) zu schreien, die in unseren bestehenden Glasfaserkabeln nicht gut funktioniert. Es ist, als würde man versuchen, ein Walkie-Talkie, das nur Französisch spricht, mit einem Netzwerk zu verbinden, das nur Englisch versteht. Diese Arbeit befasst sich genau mit dieser Herausforderung: Können wir ein einzelnes Atom dazu bringen, direkt im perfekten „stillen Bereich“ des Telekom-C-Bands verschränktes Licht zu erzeugen, und können wir beweisen, dass dieses Licht auf eine seltsame, quantenhafte Weise wirklich mit dem Atom verbunden ist?

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Der Quanten-Zaubertrick: Ein Rubidium-Atom in einem Telekommunikations-Anzug

In dieser Studie führte ein Team von Forschern der University of Science and Technology of China einen Drahtseilakt mit einem einzelnen Atom durch. Sie nahmen ein Rubidium-Atom (eine Art Metall, das bei Raumtemperatur normalerweise ein Gas ist) und fingen es in einem winzigen, unsichtbaren „magnetischen Käfig“ aus Laserlicht ein. Dieses Atom ist der Star der Show und fungiert als stationäre Speichereinheit, während das von ihm emittierte Licht als Bote dient.

Die Forscher wollten eine besondere Bindung schaffen, die „Verschränkung“ genannt wird. Stellen Sie sich zwei magische Münzen vor. Wenn Sie diese werfen, sind sie verschränkt, wenn sie, egal wie weit Sie sie voneinander entfernen, immer auf gegenüberliegenden Seiten landen (einmal Kopf, einmal Zahl) – und das augenblicklich. In der Quantenwelt wird diese Verbindung als Nichtlokalität bezeichnet. Das Ziel war es, den „Spin“ des Atoms (die Richtung, in die es zeigt) mit einem Photon (einem Lichtteilchen) zu verschränken, das in der perfekten Wellenlänge von 1550 nm geboren wird – dem „Telekom-C-Band“, das Glasfaserkabel so lieben.

Der Aufbau: Eine mikroskopische Bühne
Das Team baute eine winzige Bühne für ihr Atom. Sie platzierten das Rubidium-Atom direkt in das Zentrum eines faserbasierten Fabry-Pérot-Mikrokavitäts (FFPC). Betrachten Sie diese Kavität als einen hochtechnologischen Echoraum aus Spiegeln, der Licht einfängt und den Atom und das Licht viel lauter und schneller miteinander kommunizieren lässt, als sie es im leeren Raum tun würden. Um das Licht einzufangen, verwendeten sie eine spezielle Linse, und um das Atom stabil zu halten, nutzten sie eine „optische Pinzette“ – einen Laserstrahl, der wie ein Paar unsichtbarer Pinzetten wirkt, die das Atom an seinem Platz halten.

Die Aufführung: Ein zweistufiger Tanz
Der Prozess der Erzeugung der Verschränkung war wie ein sorgfältig choreografierter Tanz mit zwei Schritten:

1. Der Sprung: Sie beschossen das Atom mit einem präzisen Laserpuls. Dies war ein „Zwei-Photonen-Sprung“, was bedeutet, dass sie zwei verschiedene Farben von Lasern (einen bei 780 nm und einen bei 1550 nm) verwendeten, um das Atom von seinem ruhigen Grundzustand in einen hochenergetischen angeregten Zustand zu treiben.
2. Der Fall: Einmal angeregt, konnte das Atom dort nicht verweilen. Es musste wieder nach unten fallen. Dies geschah in zwei Stufen, wie ein Skifahrer, der eine Doppel-Piste hinunterfährt. Zuerst fiel es auf ein Zwischenniveau und emittierte dabei ein 1530-nm-Photon (den Telekom-Boten). Dann fiel es ganz zurück zum Grundzustand und emittierte ein 780-nm-Photon (das „Herald“- oder Signal-Licht).

Das 780-nm-Photon war der Schlüssel. Wenn die Detektoren dieses „Herald“-Photon sahen, war das wie ein Schiedsrichter, der eine Pfeife blies: „Ja! Das Atom ist gerade korrekt gesprungen und gefallen, und das 1530-nm-Photon ist da draußen!“ Dies bestätigte, dass das Atom und das 1530-nm-Photon nun verschränkt sind.

Der Beweis: Die Regeln der Realität brechen
Die große Frage war: Ist diese Verschränkung stark genug, um die „Bellsche Nichtlokalität“ zu beweisen? Dies ist eine schicke Art zu fragen, ob die Verbindung zwischen dem Atom und dem Photon so stark ist, dass sie den normalen Regeln von Ursache und Wirkung trotzt und beweist, dass das Universum auf einer quantenmechanischen Ebene wirklich „spukhaft“ ist.

Um dies zu testen, maß das Team das Atom und das Photon auf unterschiedliche Weise, so als würde man die magischen Münzen aus verschiedenen Winkeln prüfen. Sie berechneten eine Zahl namens „Bellsche Ungleichung“. Wenn die Zahl 2 oder weniger ist, ist die Welt normal und lokal. Wenn sie höher als 2 ist, ist die Welt quantenhaft und nichtlokal.

Die Ergebnisse waren beeindruckend:

• Fidelity (Treue): Die Qualität des verschränkten Paares wurde mit 91,4 % gemessen. Das bedeutet, die Verbindung war extrem stark, weit über dem Schwellenwert, der nötig ist, um das Quanten-Spukhafte zu beweisen.
• Die Verletzung: Sie maßen einen Wert der Bellschen Ungleichung von 2,455(77). Da dies deutlich größer als 2 ist, konnten sie erfolgreich beweisen, dass die Bellsche Nichtlokalität in diesem Aufbau existiert.

Warum das wichtig ist
Diese Arbeit ist ein bedeutender Schritt nach vorn, da es das erste Mal ist, dass ein einzelnes neutrales Atom direkt verschränktes Licht im Telekom-C-Band erzeugt hat, ohne dass das Licht nachträglich die Farbe ändern muss (ein Prozess, der als Frequenzkonvertierung bezeichnet wird und oft Rauschen hinzufügt und die Dinge durcheinanderbringt).

Die Forscher geben zu, dass ihr aktueller Aufbau noch nicht perfekt ist. Die „Effizienz“ (wie oft sie das Photon erfolgreich einfangen) ist noch gering, hauptsächlich weil das Einfangen von Licht im freien Raum mit einer Linse schwierig ist. Sie zeigen jedoch, dass die Effizienz mit besseren Linsen und etwas anderen Spiegeln um mehr als das Zehnfache steigen könnte. Sie merken auch an, dass die Gedächtniszeit (Kohärenz) des Atoms etwa 107 µs beträgt, was lang genug ist, um einige coole Tricks auszuführen, aber mit besserer magnetischer Abschirmung noch weiter verlängert werden könnte.

Kurz gesagt: Diese Arbeit beweist, dass wir ein Quantennetzwerk aufbauen können, in dem das „Gedächtnis“ (das Atom) und der „Bote“ (das Photon) dieselbe Sprache sprechen wie unsere bestehenden Glasfaserkabel. Es ist ein vielversprechender Baustein für eine Zukunft, in der Quantencomputer über Städte und Kontinente hinweg miteinander kommunizieren können – und zwar über genau dieselben Kabel, die heute unsere Katzenvideos übertragen.