Jesteśmy coraz bliżej kwantowego internetu. Naukowcy teleportowali stan fotonu między kropkami kwantowymi

Prace nad tzw. teleportacją kwantową trwają od wielu dekad. Co pewien czas pojawiają się informacje o kolejnym przełomie. Właśnie w ten nurt wpisuje się nowy eksperyment, przeprowadzony m.in. na Uniwersytecie w Paderborn.

Teleportacja stanu kwantowego: odległość to nie wszystko

Wszystko zaczęło się w 1997 roku, gdy zespół kierowany przez prof. Antona Zeilingera na Uniwersytecie w Innsbrucku po raz pierwszy zademonstrował przeniesienie stanu kwantowego fotonu na niewielką odległość w warunkach laboratoryjnych. Dalsze eksperymenty stopniowo zwiększały dystans do kilku kilometrów w światłowodach i w wolnej przestrzeni.

Prawdziwy przełom nastąpił w 2017 roku dzięki chińskiej misji satelitarnej Micius, która pozwoliła przeprowadzić teleportację na odległość około 1400 km między Ziemią a orbitą. Jednak w pewnym momencie odległość przestała by kluczowa. Teraz zaczęto kłaść nacisk na praktyczne zastosowania.

Czym są kropki kwantowe?

W eksperymencie w Paderborn, stan fotonu teleportowano między niezależnymi kropkami kwantowymi na dystansie 270 metrów. Kropki kwantowe to ekstremalnie małe fragmenty półprzewodnika, których rozmiar wynosi zaledwie kilka nanometrów (czyli milionowe części milimetra). Na tym poziomie zaczyna działać mechanika kwantowa, a nie zwykła fizyka.

– Eksperyment w imponujący sposób pokazuje, że źródła światła kwantowego oparte na półprzewodnikowych kropkach kwantowych mogą służyć jako kluczowa technologia dla przyszłych sieci komunikacji kwantowej. Udana teleportacja kwantowa pomiędzy dwoma niezależnymi emiterami kwantowymi to istotny krok w kierunku skalowalnych przekaźników kwantowych i praktycznej realizacji internetu kwantowego — wyjaśnia prof. Klaus D. Jöns, kierownik grupy badawczej „Hybrid Photonics Quantum Devices” oraz członek zarządu Instytutu Fotonicznych Systemów Kwantowych (PhoQS) na Uniwersytecie w Paderborn.

Interdyscyplinarność kluczem do sukcesu

Prace nad wykorzystaniem kropek kwantowych jako źródeł splątanych par fotonów w systemach komunikacji i teleportacji, rozpoczęły się mniej więcej dekadę temu. Prowadziły je zespoły kierowane przez profesora Jönsa oraz profesora Rinaldo Trottę z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie.

– Nasz wynik pokazuje, że planowanie przyniosło efekty. Połączenie nauki o materiałach, nanofabrykacji oraz optycznej technologii kwantowej było kluczem do sukcesu — skomentował profesor Jöns.

Dlaczego efekt eksperymentu jest tak ważny? Zacznijmy od tego, że układy splątane, złożone z wielu cząstek kwantowych, oferują znaczące korzyści dla technologii komunikacyjnych. Zamiast polegać na pojedynczym stanie określonym przez jeden foton, tworzą powiązane stany obejmujące wiele cząstek. To podejście jest kluczowe dla zastosowań w bezpiecznej komunikacji, przetwarzaniu danych oraz obliczeniach kwantowych.

Splątanie łączy określone właściwości fotonów, umożliwiając im współdzielenie informacji. Wspólny stan reprezentuje jednostkę informacji podlegającą przetwarzaniu.

Najwazniejszy przełom: dwa różne źródła fotonów

– Wcześniej te fotony pochodziły z jednego i tego samego źródła, czyli tego samego emitera. Chociaż w ostatnich latach poczyniono znaczące postępy, wykorzystanie odrębnych emiterów kwantowych do realizacji przekaźnika kwantowego między niezależnymi stronami pozostawało wcześniej poza zasięgiem — zauważył profesor Jöns.

Badacze mają już nowy cel. Pracują nad demonstracją „zamiany splątania” (entanglement swapping) między dwiema kropkami kwantowymi. Osiągnięcie tego pozwoliłoby stworzyć pierwszy przekaźnik kwantowy wykorzystujący dwa deterministyczne źródła splątanych par fotonów. Źródła takie mogą niezawodnie generować pojedyncze fotony niemal na żądanie, choć ich opracowanie stanowiło duże wyzwanie.

Potęga internetu kwantowego

Chociaż do realnego internetu kwantowego wciąż długa droga, to warto nią iść. Da on nam gwarancję bezpieczeństwa – każda próba podsłuchu zostawi ślad, co ma ogromne znaczenie dla bankowości, wojska czy ochrony danych.

Ponadto internet kwantowy będzie bazą dla przyszłych technologii obliczeniowych. Umożliwi łączenie komputerów kwantowych w sieci, co może prowadzić do powstania rozproszonych systemów o nieosiągalnej dziś mocy obliczeniowej. To z kolei może przyspieszyć rozwój medycyny, chemii czy sztucznej inteligencji.

Źródło: Nature Communications

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.