Scéna je připravena pro kvantovou teleportaci v diamantu. Kredit: Yokohama National University.

Kvantová teleportace zaručuje přenos kvantové informace na jinak nedosažitelné místo. Může například zajistit přenos informace do kvantové paměti, aniž by přitom došlo k odhalení anebo zničení dotyčné kvantové informace. Zmíněným nedosažitelným místem mohou být třeba atomy uhlíku v diamantu. Jejich krystalová mřížka, která vytváří strukturu diamantu, vlastně představuje skvělé prostředí pro kvantovou teleportaci.

Tým fyziků, který vedl Hideo Kosaka z japonské Yokohama National University, právě takovou teleportaci v diamantu uskutečnil. Jejich výzkum má velký význam pro kvantové informační technologie, zejména pokud jde o sdílení a skladování citlivých informací.

Hideo Kosaka. Kredit: Yokohama National University.

Atom uhlíku obsahuje ve svém jádru obvykle šest protonů se šesti neutrony, které obíhá šest elektronů. Takové atomy vytvoří v diamantu velmi pevnou a odolnou mřížku. Když se ale namísto dvou uhlíku v krystalové mřížce diamantu vyskytne dusík a vedle něj prázdné místo, tak vytvoří defekt, takzvané NV (nitrogen-vacancy) centrum. Takové centrum, které je v diamantu obklopené atomy uhlíku, podle Kosaky funguje jako nanomagnet.

Kosakův tým připojil k diamantu drát o tloušťce asi čtvrtiny lidského vlasu. Na tento drát poté nechali působit mikrovlnné záření a rádiové vlny, čímž kolem dotyčného diamantu vytvořili oscilující magnetické pole. Tímto způsobem si připravili optimální kontrolované prostředí, v němž mohli teleportovat kvantovou informaci uvnitř diamantu.

Yokohama National University, logo.

Během experimentu použili nanomagnet, tedy NV centrum v diamantu, jako kotvu pro zachycení elektronu. Manipulací mikrovln a rádiových vln dosáhli toho, že díky magnetickému poli nanomagnetu kvantově provázali spin ukotveného elektronu se spinem jádra atomu uhlíku. Když došlo ke kvantovému provázání, čili entanglementu spinů elektronů a jádra atomu uhlíku, tak badatelé vyslali foton, který nesl kvantovou informaci. Kvantově provázaný elektron tento foton absorboval, čímž se kvantová informace fotonu prostřednictvím elektronu přenesla na jádro atomu uhlíku, s nímž byl elektron kvantově provázán. Tím pádem došlo k teleportaci informace na kvantové úrovni.

Podle Kosaky by se jejich kvantová teleportace v diamantu mohla stát základem pro průmyslově vyráběné kvantové opakovače (quantum repeater). Taková technologie je významná pro kvantovou komunikaci na velkou vzdálenost a distribuované kvantové výpočetní technologie.

Video:  Operations on NV center qubits | QuTech Academy


Literatura
Yokohama National University 28. 6. 2019, Communications Physics 2: 74.