Badacze z Uniwersytetu w Stuttgarcie dokonali czegoś, co jeszcze niedawno uważano za niezwykle trudne. Po raz pierwszy udało im się przenieść stan kwantowy pomiędzy fotonami wyemitowanymi z dwóch odrębnych kropek kwantowych. Brzmi skomplikowanie? W dużym uproszczeniu oznacza to, że udało się połączyć w kwantową całość fotony pochodzące z dwóch różnych, mikroskopijnych „źródeł światła”. To kluczowy warunek, by móc w przyszłości budować rozległe, kwantowe sieci, a nie tylko pojedyncze, izolowane łącza.
Sedno problemu tkwi tutaj w naturze samych źródeł. Kropki kwantowe to nanostruktury wytwarzane w laboratoriach, które emitują pojedyncze fotony. Problem w tym, że każda taka kropka jest nieco inna – można je porównać do sztucznych atomów, z których każdy ma drobne, nieuniknione różnice. Aby teleportacja kwantowa działała, potrzebne są fotony niemal identyczne pod względem właściwości, takich jak czas emisji czy barwa światła. Dopasowanie dwóch różnych kropek do siebie jest nie lada wyzwaniem inżynieryjnym.
Czytaj także: Kwantowy internet coraz bliżej. Dokonano ważnego przełomu
Zespół ze Stuttgartu we współpracy z Instytutem Leibniza w Dreźnie najpierw opracował pary kropek kwantowych różniące się w możliwie minimalnym stopniu. To jednak nie wystarczyło. Naukowcy musieli zastosować dodatkowe, precyzyjne urządzenia, tzw. konwertery częstotliwości, które działają jak stroiciele instrumentów, dopasowując subtelne różnice między fotonami z obu źródeł i umożliwiając ich kwantowe zsynchronizowanie.
Nietypowy eksperyment
W praktyce dwie odseparowane od siebie kropki kwantowe połączono światłowodem o długości około 10 metrów. Sercem procesu jest zjawisko splątania kwantowego, które łączy cząstki w specyficzny stan, w którym los jednej jest natychmiastowo powiązany z losem drugiej, niezależnie od dzielącej je odległości. Informację zakodowano w polaryzacji fotonu, czyli kierunku, w którym drga jego pole elektromagnetyczne.
Warto podkreślić, czym teleportacja kwantowa nie jest. Nie chodzi tutaj bowiem o fizyczne przeniesienie cząstki z punktu A do B. To proces, w którym stan kwantowy (w tym przypadku informacja o polaryzacji) jednej cząstki zostaje odtworzony na drugiej, odległej cząstce, podczas gdy oryginalny stan ulega zniszczeniu. To fundamentalna różnica wobec klasycznej komunikacji, gdzie sygnał po prostu kopiujemy i wzmacniamy. Skuteczność tego konkretnego eksperymentu wyniosła nieco ponad 70%. W świecie kwantów, gdzie każdy procent jest na wagę złota, to wynik, który daje solidne podstawy do dalszych prac.
Internet kwantowy coraz bliżej
Dziś tradycyjne sieci światłowodowe działają dzięki okresowemu wzmacnianiu sygnału. W przypadku delikatnej informacji kwantowej takie podejście zawodzi – próba jej skopiowania czy wzmocnienia w klasyczny sposób nieodwracalnie ją niszczy. Rozwiązaniem mają być tzw. powtarzacze kwantowe, czyli węzły sieci wykorzystujące właśnie teleportację do „odświeżenia” informacji na długich trasach bez naruszania jej kwantowego charakteru.
Wcześniejsze prace tego samego zespołu wykazały, że splątanie między fotonami z kropek kwantowych może przetrwać podróż przez 36 kilometrów miejskiej infrastruktury w Stuttgarcie. Obecny eksperyment uzupełnia tę układankę o brakujący element: możliwość łączenia węzłów opartych na różnych, fizycznych źródłach światła. Bez tej zdolności sieć pozostawałaby zbiorem niezależnych segmentów.
To wszystko ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa. Kwantowa kryptografia opiera się na prawach fizyki, a każda próba podsłuchu nieuchronnie zakłóca stan kwantowy przesyłanych cząstek, natychmiast ujawniając intruza. W świecie, w którym tradycyjne szyfry muszą mierzyć się z rosnącą mocą komputerów, w tym przyszłych komputerów kwantowych, metoda ta oferuje teoretycznie maksymalny poziom ochrony.
Czytaj także: Fizycy odwrócili splątanie kwantowe! To nigdy nie miało się wydarzyć
Badania te są częścią szerokiej, krajowej inicjatywy o nazwie QR.N, finansowanej przez Federalne Ministerstwo Badań. Projekt skupia aż 42 partnerów z uczelni, instytutów badawczych i przemysłu, stanowiąc kontynuację wcześniejszego programu Quantenrepeater.Link. Taka skala współpracy nie jest przypadkowa. Budowa praktycznych technologii kwantowych wymaga połączenia wiedzy z wielu dziedzin: od fizyki półprzewodników, przez zaawansowaną optykę, aż po inżynierię sieciową.
Sam zespół ze Stuttgartu nie spoczywa na laurach. Kolejne kroki to praca nad zwiększeniem dystansu, na którym działa teleportacja, oraz podniesieniem wskaźnika jej skuteczności. Kluczem do sukcesu będzie dalsze udoskonalanie technik produkcji półprzewodników, by wytwarzane kropki kwantowe były jak najbardziej do siebie podobne. Każdy postęp w tej materii bezpośrednio przekłada się na zasięg i niezawodność przyszłych kwantowych łączy.