Współczesna komunikacja internetowa – od bankowości, przez logowanie do portali, po czaty i wideokonferencje – jest podatna na coraz bardziej złożone ataki. Sztuczna inteligencja znacząco ułatwia hakerom łamanie zabezpieczeń i kradzież cyfrowych tożsamości. Idea kwantowej komunikacji obiecuje brutalne odcięcie tej ścieżki: jeśli transmisja opiera się na prawach mechaniki kwantowej, każda próba podsłuchu automatycznie pozostawi w niej ślady.
Problem w tym, że sama koncepcja nie wystarczy. Aby kwantowy internet był użyteczny, musi działać na dużych odległościach – najlepiej w istniejącej infrastrukturze światłowodowej. A to oznacza konieczność zastąpienia klasycznych wzmacniaczy światła czymś zupełnie innym. W kwantowej transmisji nie można po prostu “wzmocnić sygnału”, bo skopiowanie fotonu z informacją kwantową jest fizycznie niemożliwe. Tu pojawia się pojęcie kwantowego repeatera – węzła, który nie klonuje sygnału, lecz odtwarza informację dzięki zjawisku teleportacji kwantowej.
Teleportacja kwantowa, jakiej jeszcze nie było
W artykule opublikowanym w Nature Communications badacze opisują sukces, który można nazwać pierwszym na świecie transferem informacji kwantowej między fotonami pochodzącymi z dwóch różnych kropek kwantowych. To istotne, ponieważ każda kropka kwantowa jest maleńką, półprzewodnikową wyspą o własnych, subtelnie odmiennych poziomach energetycznych. Trudność polega na tym, że fotony z dwóch różnych kropek nie są identyczne – a muszą być, jeśli mają się ze sobą “dogadać” na poziomie kwantowym.
Czytaj też: Od zera do kwantowego programisty w 10 minut. Polska firma demokratyzuje przyszłość technologii
Kropki kwantowe wygenerowane przez zespoły ze Stuttgartu i Drezna różniły się tylko minimalnie. Każda z nich potrafi – dosłownie na żądanie – wysłać pojedynczy foton o ściśle określonych parametrach. To warunek konieczny, aby fotony z dwóch odległych źródeł dało się ze sobą interferować i dzięki temu wykorzystać do teleportacji stanu kwantowego.
W eksperymencie jedna kropka kwantowa produkowała pojedynczy foton, który przenosił informację – w tym przypadku zakodowaną w polaryzacji, czyli orientacji drgań światła. Druga kropka generowała parę fotonów splątanych. Jeden z tej pary trafiał do miejsca, gdzie spotykał się z fotonem pojedynczym, a drugi pozostawał w drugim źródle.
W momencie, gdy foton pojedynczy i foton z pary splątanej interferowały ze sobą, ich stany nakładały się. To nakładanie jest kluczowe: z powodu superpozycji informacji z pierwszego fotonu zostaje “przepisana” na partnera z pary splątanej, mimo że ten fizycznie znajduje się gdzie indziej. Aby eksperyment w ogóle mógł się udać, konieczne było zastosowanie tzw. kwantowych konwerterów częstotliwości – urządzeń, które korygują minimalne różnice w “kolorze” fotonów.
Główna trudność polegała na tym, że dwa różne źródła światła muszą generować niemal nieodróżnialne fotony. W stuttgarckim eksperymencie odległość między kropkami kwantowymi wynosiła tylko ok. 10 metrów światłowodu. Kluczowe jest jednak to, że wcześniejsze prace tego samego zespołu wykazały zachowanie splątania po transmisji na dystansie aż 36 km przez miasto. To oznacza, że infrastruktura światłowodowa nie jest tu przeszkodą – trzeba “tylko” dopracować źródła światła i stabilność ich parametrów.
Skuteczność teleportacji wynosi obecnie nieco ponad 70 proc. To dużo w skali pierwszej demonstracji, ale wciąż za mało, by budować realne sieci. Strobel podkreśla, że celem jest dalsza poprawa jakości kropek kwantowych poprzez dopracowanie technik półprzewodnikowych.
Wszystko wskazuje na to, że jesteśmy dopiero na początku technologicznego wyścigu. Kwantowe repeatery mają stać się “węzłami” przyszłego internetu – punktami, które pozwolą utrzymać informację kwantową żywą na setkach, a docelowo tysiącach kilometrów. Eksperyment ze Stuttgartu przesuwa poprzeczkę. Pokazuje, że można nie tylko generować identyczne fotony w dwóch odległych miejscach, ale także teleportować między nimi stany kwantowe. To właśnie tego wymaga realna, globalna sieć kwantowa – odporna na podsłuch, integrująca wiele lokalnych źródeł światła i zdolna do pracy na istniejącej infrastrukturze światłowodowej.