Istraživači ostvarili istorijski prenos kvantnih podataka između udaljenih fotona

Istraživači sa Univerziteta u Štutgartu uspeli su da prvi put teleportuju kvantnu informaciju između fotona koji su potekli iz različitih izvora, što predstavlja značajan pomak ka praktičnoj izgradnji kvantne mreže. Eksperiment, koji je objavljen u žurnalu Nature Communications, pokazuje da je moguće preneti kvantno stanje jednog fotona na drugi čak i kada ti fotoni potiču iz odvojenih kvantnih izvora - i to otvara put ka skalabilnim kvantnim „ponavljačima“ neophodnim za kvantni internet, prenosi SciTechDaily.

Suština problema koji su naučnici rešili leži u tome što fotoni moraju biti praktično nediferencirani da bi kvantna teleportacija uspela: ista boja, isti vremenski profil i identične fazne osobine. U realnim mrežama izvori fotona neće biti identični, jer će poticati iz različitih čvorova i različitih uređaja.

Preporučujemo

Tim predvođen profesorom Piterom Mičlerom sa Instituta za optiku poluprovodnika i funkcionalnih interfejsa u Štutgartu razvio je pristup koji to prevazilazi. Ključ su bile kombinacija izuzetno preciznih kvantnih tačkica (nanostruktura koje emituju fotone sa definisanim svojstvima) i takozvanih konvertora frekvencije, uređaja koji mogu da izjednače male razlike između fotona iz različitih izvora.

U praksi, jedna kvantna tačkica generisala je pojedinačni „signalni“ foton, dok je druga proizvodila upareni, isprepleteni par fotona. Jedan član para i signalni foton dovedeni su do interferometra gde je izvedeno merenje koje je omogućilo da se kvantna informacija — polarizaciono stanje signalnog fotona — preda udaljenom partneru iz uparenog para. Time je stanje preneto na foton koji fizički potiče iz drugog izvora, bez direktnog prenošenja samog originalnog fotona. Tim činom kvantna informacija se „preselila“ sa jednog svetlosnog kvanta na drugi, što je sama suština kvantne teleportacije.

Eksperiment je izveden na fizičkoj udaljenosti od približno deset metara, povezujući izvore optičkim kablom; prethodna upozorenja su pokazala da spregnutost fotona iz kvantnih tačkica može opstati i nakon prenosa od 36 kilometara kroz gradsku optičku infrastrukturu, ali dalji rad zahteva povećanje udaljenosti i pouzdanosti same teleportacije. Trenutna uspešnost prenosa u ovim eksperimentima iznosi nešto više od 70 odsto, što ukazuje na prostor za tehničko poboljšanje — redukciju fluktuacija u emisiji kvantnih tačkica, finiju kontrolu faze i efikasnije konvertore frekvencije.

Zašto je ovo važno za kvantni internet? U klasičnim mrežama signal se obnavlja pomoću pojačala; u kvantnoj komunikaciji to nije moguće jer kloniranje kvantnih stanja krši fundamentalna kvantna pravila. Rešenje su kvantni ponavljači koji umesto pojačavanja obnavljaju kvantnu informaciju teleportacijom na nove fotone.

Demonstracija teleportacije između nezavisnih izvora pokazuje da budući mrežni čvorovi ne moraju da dele identičan izvor fotona; umesto toga, lokalni izvori u različitim čvorovima mogu da saradjuju tako što će se kvantna informacija prebacivati između njih. To čini mrežu skalabilnom i pogodnom za raspodelu kvantne bezbednosti na veće udaljenosti.

Tehnički izazovi koji ostaju nisu zanemarljivi. Potrebni su pouzdaniji i homogeniji izvori fotona, bolje metode za sinhronizaciju i dalji razvoj konvertora frekvencije koji će kompenzovati razlike bez dodatnog gubitka koherencije.

Pored toga, treba povećati stopu uspeha teleportacije i smanjiti sistemske greške da bi se ostvarila reproduktibilnost na dugim razdaljinama neophodnim za praktične mreže. Ipak, put koji ova studija otvara je jasan: prelazak sa laboratorijskih demonstracija ka infrastrukturnim rešenjima koja koriste postojeću optičku mrežu.

Implikacije su dalekosežne. Kvantna teleportacija koja funkcioniše između udaljenih i nezavisnih izvora otvara vrata za komunikaciju sa znatno većim stepenom bezbednosti od današnjih standarda: svaki pokušaj presretanja menja kvantno stanje i ostavlja trag, što čini takvu komunikaciju inherentno otkrivajućom za napade.

To bi imalo posebno značenje za finansijske transakcije, državne komunikacione mreže i čuvanje osetljivih podataka. Dalje, mrežna arhitektura zasnovana na ovakvim kvantnim čvorovima mogla bi da poveže i distribuirane kvantne računare, omogućavajući nove računarske paradigme.

Demonstracija teleportacije kvantne informacije između fotona iz različitih kvantnih tačkica predstavlja tehnički i konceptualni napredak prema kvantnom internetu. To nije trenutak u kome je problem rešen do kraja, ali jeste jasno obeležje da se prelazi iz faze „može li se to uraditi“ u fazu „kako ćemo to skalirati“. Dalje istraživanje, unapređenje izvora i inženjerski rad na kvantnim ponavljačima biće naredni koraci na putu od laboratorije ka realnim kvantnim mrežama.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)