Badacze z tamtejszego uniwersytetu opracowali metodę, która pozwala na jednoczesne splątanie aż dziesięciu kubitów z osobnymi fotonami. Brzmi skomplikowanie? W praktyce oznacza to, że być może udało się pokonać jedną z poważniejszych barier w budowie praktycznych sieci kwantowych.
Jak to właściwie działa?
Cała magia dzieje się dzięki uwięzionym jonom wapnia pełniącym rolę kubitów, które są sekwencyjnie przemieszczane do specjalnej wnęki optycznej. Tam precyzyjnie dostrojony impuls laserowy wywołuje emisję pojedynczego fotonu, którego polaryzacja zostaje splątana ze stanem jonu.
Procedura wymaga niezwykłej precyzji – każdy jon musi trafić dokładnie w ognisko wnęki optycznej, gdzie dochodzi do kluczowego momentu emisji fotonu o właściwościach kwantowych powiązanych z jonem. System eksperymentalny wykorzystuje dziesięć atomów w liniowej pułapce Paula ze zintegrowaną wnęką optyczną do zbierania fotonów przy długości fali 854 nanometrów.
Wydajność całego systemu nie jest jednakowa dla wszystkich jonów. Te znajdujące się w środkowych pozycjach generują fotony z efektywnością niższą o około 13% w porównaniu do jonów zewnętrznych, co wynika bezpośrednio z ich położenia względem wnęki optycznej.
Wyniki, które robią wrażenie
Eksperyment przyniósł naprawdę solidne rezultaty. Naukowcom udało się osiągnąć średnią wierność splątania jon-foton na poziomie 92%, co wskazuje na bardzo wysoką jakość kwantowego połączenia. Średnie prawdopodobieństwo wykrycia każdego pojedynczego fotonu wyniosło 9%, co w tych warunkach należy uznać za dobry wynik.
Wierności stanów Bella, które są kluczowym wskaźnikiem jakości splątania kwantowego, wahały się od 88% do 95% dla różnych par jon-foton. Najwyższą wartość 95% uzyskano dla jednej z par, podczas gdy najniższa wyniosła 78% dla stanów dopasowanych jon-foton. Te liczby potwierdzają, że metoda jest nie tylko efektywna, ale też względnie stabilna.
Skalowalność to kluczowa zaleta
Najciekawszym aspektem całej technologii wydaje się jej skalowalność. Podczas gdy wcześniejsze eksperymenty ograniczały się zwykle do dwóch lub trzech kubitów, konfiguracja z Innsbrucka może zostać rozszerzona na znacznie większe rejestry zawierające nawet setki jonów.
Technika jest bezpośrednio skalowalna do większych rejestrów jonowo-kubitowych i może zostać zintegrowana z mikrofabrykowanymi, wielostrefowymi architekturami pułapek. To otwiera drogę do budowy systemów zawierających tysiące kubitów, choć oczywiście na razie mówimy o teoretycznych możliwościach.
Gdzie to może znaleźć zastosowanie?
Nowa metoda to ważny krok w kierunku budowania większych i bardziej złożonych sieci kwantowych, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w kilku kluczowych obszarach. Komunikacja zabezpieczana kwantowo to jeden z najbardziej obiecujących kierunków – sieci kwantowe mogą przesyłać informacje w sposób teoretycznie niemożliwy do podsłuchania bez wykrycia przez nadawcę i odbiorcę.
Czytaj także: Splątanie kwantowe w protonach. Wyniki ostatnich eksperymentów są naprawdę niesamowite
Rozproszone obliczenia kwantowe to kolejny naturalny obszar zastosowań. Połączenie odległych procesorów kwantowych w jedną sieć mogłoby dramatycznie zwiększyć moc obliczeniową dostępną dla rozwiązywania skomplikowanych problemów naukowych i obliczeniowych.
Wielkoskalowa rozproszona sensoryka kwantowa może zrewolucjonizować pomiary w dziedzinach od geologii po medycynę. Sieci czujników kwantowych mogą osiągnąć precyzję całkowicie niedostępną dla konwencjonalnych instrumentów pomiarowych.
Nowa era zegarów atomowych
Jednym z najbardziej fascynujących potencjalnych zastosowań może być rozwój optycznych zegarów atomowych o niezrównanej dokładności. Takie urządzenia mogłyby mierzyć czas z precyzją, która pozwalałaby stracić mniej niż sekundę w ciągu całego wieku istnienia wszechświata.
Sieć takich zegarów stworzyłaby globalny system pomiaru czasu o dokładności przekraczającej wszystko, co znamy obecnie. Miałoby to fundamentalne znaczenie dla nawigacji satelitarnej, synchronizacji sieci telekomunikacyjnych czy badań podstawowych w fizyce.
Zegary atomowe połączone siecią kwantową mogłyby również służyć jako niezwykle precyzyjne detektory fal grawitacyjnych lub innych subtelnych zjawisk fizycznych, otwierając zupełnie nowe możliwości w astronomii i kosmologii.
Co dalej z tą technologią
Przełomowa technologia z Innsbrucka stanowi ważny krok w kierunku praktycznych sieci kwantowych, choć do komercjalizacji wciąż daleka droga. Możliwość splątania dziesięciu kubitów z fotonami przy wysokiej wierności i skalowalność do setek czy tysięcy kubitów sugeruje, że wizja globalnej infrastruktury kwantowej powoli przestaje być czystą fantazją.
Jeśli uda się utrzymać podobną efektywność przy większej skali, możemy być świadkami narodzin zupełnie nowego paradygmatu w przetwarzaniu i przesyłaniu informacji. Na razie jednak cieszmy się z kolejnego małego kroku w kierunku kwantowej przyszłości, która wciąż pozostaje raczej odległą perspektywą niż czymś, co pojawi się w naszych domach w ciągu najbliższych lat.