Experiment provedl kolektiv C. Monroe z University of Michigan, který se na oslu již představil (Jak vyrobit kočku v laboratoři? II ).  Pamětí byl nejjednodušší kvantový systém, tj. dvouhladinový systém označovaný jako qubit, v tomto případě realizovaný dvěmi hladinami iontu yterbia  ¹⁷¹Yb⁺.

Fotony z obou atomů yterbia jsou vyvedeny k 50/50 děliči svazků (beam splitter), kde na ně v obou ramenech čeká detektor (PMT). Pokud dojde ke koincidenci detekcí, ocitne se atomový stav v daném entanglovaném stavu.

Je celkem nasnadě, že atomy byly drženy v iontové pasti, kde se pomocí elmag pole s ionty poměrně snadno pracuje. Méně zřejmé je, že takový ion vydrží v pasti se současnou technologii i několik dnů, a proto se o nich uvažuje jako o vhodných kandidátech na kvantové paměti. Abychom však měli kvantové zařízení o použitelných dimenzích je potřeba disponovat kvantovými pamětmi o podstatně větších dimenzích.

Pokud navíc můžeme mít takový systém distribuovaný na různých místech světa (stejně jako existují distributivní výpočty s klasickými počítači), je potřeba oddělené paměti nějak zkorelovat. Protože jsme na území kvantové mechaniky a chceme z ní vytěžit něco víc než co umí běžný počítač, je třeba paměti zkorelovat kvantově – a to již zmíněný entanglement. Samozřejmě jen stěží vezmeme jednu past a povezeme ji k druhé, aby atomy mohly interagovat. Místo toho to za nás necháme udělat fotony, ideální to nosiče informace (i když existují pokusy o celofotonové kvantové počítače, jejich experimentální rozvoj celkem pokulhává za hydridním systémy typu atom-světlo).

Tím jsme se dostali k samotnému experimentu. Dva nezávislé atomy yterbia v pastech vzdálených jeden metr se podařilo pravděpodobnostně zkorelovat pomocí měření na fotonech, které oba atomy po úvodní inicializaci vyzářily. Podívejme se na detaily a vysvětleme pojmy z předchozí věty.

Relevantní hladinyjsou patrny z obrázku:

²S_1/2 hladiny atomů yterbia tvořící logickou bazi atomových qubitů (šipky nahoru/dolů).

Oba ionty jsou nejprve excitovány ze základní ²S_1/2 hladiny laserovými pulsy na hladinu ² P_1/2, odkud mohou popadat na tři různé hladiny označené π a σ_+/-. První z nich je nechtěný přechod, který, pokud k němu dojde, je odfiltrován (má rozdílnou polarizaci od σ přechodů). σ přechody  nás přenesou na samotné atomové hladiny tvořící hladiny qubitu (označené šipkami nahoru/dolů).

Důležité přitom je uvědomit si, že takto vyzářené fotony mají mírně rozdílnou frekvenci ν. Pokud je nemožné zjistit, který ze σ přechodu nastal, ihned máme entanglovaný systém atom-foton. Nyní příchází klíčový výpočet. Jakmile nastane σ přechod na obou atomech, jejich vlnové funkce jsou faktorizované (přesněji první systém atom-foton je nezávislý na druhém systému atom-foton), jak vidíme na levé (horní) straně rovnice, kde a,b značí první a druhý atom.

Pokud kety roznásobíme a složíme tak, jak je vidět na pravé straně rovnice, dostaneme superpozici čtyř funkcí atom-foton. Stavy Ψ^+/– a Φ^+/–  jsou maximálně entanglované stavy (atomu a/nebo fotonu) a nás bude především zajímat poslední člen rovnice (v červeném oválu) mající tvar pro atom, respektive pro foton

 Jak je vidět z prvního obrázku, fotony v superponovaném stavu dojedou na vyvážený dělič svazku, kde by v principu bylo možné čtyři fotonové stavy měřit a tím vyprojektovat atom do jednoho z maximálně entanglovaných stavů. Nicméně technologie detekce maximálně entanglovaných stavů je ještě nedokonalá a proto je (v našem uspořádání!) lehké detekovat jen poslední člen ze superpozice.

Jinými slovy, ze symetrie celkové vlnové funkce plyne, že pokud dojde ke koincidenci měření na obou detektorech za děličem svazku, víme s jistotou, že fotonový stav byl Ψ^–  a tudíž ten atomový také. A tím to celé končí, máme zde proentanglovaný stav dvou atomů – kvantových pamětí, které byly původně na sobě zcela nezávislé. Zde také již tušíme, proč se tomu říká probabilistické zařízení: foton (a tedy atom) ve stavu Ψ^–    lze získat s pravděpodobností jedna čtvrtina. Pravděpodobnost  malá, řekne si někdo (ve skutečnosti je celková účinnost vzniku provázaného atomového stavu mnohem, mnohem menší; na druhou stranu však nikam nespěcháme a pokud jednou detektory kliknou, je atomový stav připravený k použití), a vzdálenost taky nic moc, ale jsme stále jen na začátku a možnosti kvantové teorie informace čekající za dveřmi jsou naprosto dech beroucí – masivní kvantový výpočetní paralelismus, kvantové opakovače pro kvantovou kryptografii nabízející bezkonkurenční  úroveň bezpečnosti, atd..

Pramen: Nature
doi:10.1038/nature06118