Kvantna teleportacija prenosi mikrotalasna stanja na temperaturama do 4 K, nadmašujući klasičnu granicu

Sve veći broj kvantnih inženjera širom sveta pokušava da realizuje kvantne mreže velikih razmera, koje se sastoje od nekoliko povezanih kvantnih računara ili uređaja koji dele informacije između sebe. Uspešna realizacija ovih mreža mogla bi potencijalno utrti put ka novim vrlo brzim i bezbednim komunikacionim sistemima, ili čak ka kvantnoj verziji interneta.

Ključni izazov pri pokušaju realizacije kvantnih mreža velikih razmera jeste osiguravanje da se kvantna svojstva mikrotalasnih signala pouzdano prenesu sa jedne lokacije na drugu. Ovi signali su veoma osetljivi na nasumične fluktuacije energije povezane sa toplotom. Zbog toga dosad predstavljeni sistemi obično rade unutar rashladnih mašina.

Preporučujemo

Istraživači iz Instituta Valter Majsner i sa Tehničkog univerziteta u Minhenu predstavili su novi pristup za uspešan prenos kvantnih mikrotalasnih stanja između dva hladnjaka povezana toplijim superprovodnim kablom, sa temperaturama do 4 K.

„Naš rad je inspirisan originalnom idejom da pokažemo da mikrotalasna komunikacija može da funkcioniše u kvantnom režimu i na makroskopskim distancama, van ograničenja milimetarskog čipa“, kažu istraživači.

„Ova ideja potiče iz fundamentalnih koncepata distribucije sprezanja u kvantnoj optici i podstaknuta je nedavnim napretkom u kvantnom računarstvu sa superprovodnim sklopovima koji rade na mikrotalasnim frekvencijama.“

Propagacija mikrotalasnih spregnutih stanja putem relativno toplih superprovodnika

Primarni cilj ove studije bio je da se uspešno realizuje kriogena veza koja povezuje pojedinačne rashladne uređaje putem superprovodnih kablova. Osim toga, istraživači su želeli da uspostave kvantnu verziju mikrotalasnih lokalnih mreža (Q-LAN).

„Pokazali smo da mikrotalasni spregnuti signali mogu da se šire bez gubitka svojih kvantnih svojstava kroz relativno tople mikrotalasne kanale (superprovodne koaksijalne kablove) na temperaturama do 4 Kelvina“, kažu autori.

Kvantno sprezanje je obično veoma krhko u odnosu prema fluktuacijama, kao što je toplotni šum iz okolnog toplog okruženja.

Istraživači su otkrili da su niobijum-titanijumski superprovodni kablovi pogodni za transport kvantnih mikrotalasnih stanja čak i na povišenim kriogenim temperaturama. Tako je zato što, iako kablovi sadrže mnogo nasumičnih toplotnih fluktuacija (fotona), ove fluktuacije se mešaju u propagirajući mikrotalasni signal samo putem gubitaka u kanalu (npr. kad se deo signala apsorbuje ili rasprši).

Stoga su istraživači mogli da očuvaju kvantno sprezanje širom mreže koristeći visokokvalitetne superprovodne kablove koji sprečavaju ili ograničavaju mikrotalasne propagacione gubitke. U fizici je ovo poznato kao teorema fluktuacije-disipacije i demonstrirali smo njeno praktično značenje za kvantne mreže, kažu istraživači.

Uspešna teleportacija koherentnih mikrotalasnih stanja

U kvantnom sistemu koji su razvili, istraživači su uspeli da demonstriraju komunikacioni protokol poznat kao kvantna teleportacija. To je protokol koji omogućava prenos koherentnih mikrotalasnih stanja od jednog uređaja do drugog, bez direktnog slanja kroz kablove.

„Ovaj protokol zahteva resurs sprezanja i šemu za lokalna merenja sa klasičnom komunikacijom putem anticipacije“, kažu autori.

„Uspešno smo demonstrirali teleportaciju mereći takozvani fidelitet, meru koja kvantifikuje bliskost teleportovanog stanja originalnom. Savršena teleportacija je nemoguća u eksperimentima zbog sveprisutnih eksperimentalnih nesavršenosti. Ipak, dostizanje vrednosti fideliteta iznad određene granice (klasičnog praga) već znači da kvantna teleportacija funkcioniše bolje nego bilo koji klasični komunikacioni metod u cilju prenosa nepoznatih kvantnih stanja.“

Klasični prag fideliteta za teleportaciju nepoznatih koherentnih mikrotalasnih stanja iznosi 50%. Ipak, koristeći kvantni protokol, istraživači su uspeli da teleportuju stanja između udaljenih kriostata sa fidelitetom od 72,3% pri 1 Kelvinu i 59,9% pri 4 Kelvina.

Omogućavanje realizacije skalabilnih kvantnih računarskih mreža

Početni rezultati su veoma obećavajući i ističu potencijal predložene inženjerske strategije za realizaciju kvantnih komunikacionih sistema. Štaviše, pokazano je da kvantni protokoli mogu prenositi mikrotalasna stanja preko povezanih uređaja efikasnije od klasičnih.

„Postigli smo distribuciju kvantnog sprezanja na mikrotalasnim frekvencijama preko toplih kanala (4 Kelvina) i upotrebu kvantnih korelacija (koje su jače od bilo kojih klasičnih) za kvantnu teleportaciju mikrotalasnih koherentnih stanja“, kažu istraživači.

„Moguće implikacije ovih rezultata su prilično raznovrsne. Jedna od njih je svakako mogućnost povezivanja pojedinačnih, udaljenih superprovodnih kvantnih čvorova u veliku distribuiranu mrežu, koja se može koristiti za razne dalje zadatke u pravcu skalabilnog (distribuiranog) kvantnog računarstva ili kvantne detekcije“.

U budućnosti bi se mogle otvoriti nove mogućnosti za realizaciju kvantnih mreža, distribuiranih kvantnih sistema i čak kvantnih komunikacionih sistema koji rade na višim temperaturama.

Istovremeno bi se mogli demonstrati protokoli mikrotalasne kvantne distribucije ključeva, kriptografskih tehnika koje bi mogle omogućiti bezbedniju komunikaciju.

„Naši budući planovi uključuju mogući prelaz sa rigidnih milikelvinskih mikrotalasnih veza na fleksibilne mikrotalasne linije hlađene tečnim helijumom radi demonstriranja distribucije kvantnog sprezanja preko mnogo praktično relevantnijih mreža“, dodaju istraživači.

„Ovde je glavni izazov u razvijanju kriogenih tehnoloških rešenja kompatibilnih sa modernim kriostatima, uz postizanje dovoljno visokog fideliteta u transferu kvantnih stanja radi kompatibilnosti sa stiktnim zahtevima savremenih kvantnih računarskih protokola.

Na kraju, naša vizija je da dovedemo kvantnu mikrotalasnu komunikaciju direktno na sobne temperature i kanale na otvorenom u cilju omogućavanja mikrotalasne distribucije ključeva preko frekvencijskih opsega kompatibilnih sa 5G/6G standardima“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)