Jesteśmy coraz bliżej stworzenia kwantowego internetu

Kwantowy internet coraz bliżej. Ważne osiągnięcie naukowców

Naukowcy zrobili krok w kierunku stworzenia funkcjonalnego kwantowego internetu, projektując i demonstrując pierwszy w historii analizator stanu Bella do kodowania bloków częstotliwości.

Badania zostały przeprowadzone przez zespół uczonych z Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SRI International, Freedom Photonics i Uniwersytetu Purdue. Wyniki opisano w czasopiśmie Optica.

Jak zbudować kwantowy internet?

Aby kwantowy internet stał się faktem, konieczne jest dogłębne zrozumienie mechaniki kwantowej. Przesyłana informacja musi zostać zakodowana w stanie kwantowym – mowa o kubitach będących kwantowymi odpowiednikami klasycznych bitów, które charakteryzuje tzw. stan splątany. Nie można w nim odróżnić od siebie poszczególnych cząsteczek. Splątanie między dwoma kubitami jest maksymalne, gdy znajdują się one w tzw. stanach Bella.

Pomiar stanów Bella jest konieczny do wykonywania wielu protokołów w komunikacji kwantowej i dystrybucji splątania w sieci kwantowej. Są one wykonywane od dawna, ale nowo opracowana metoda jest wyjątkowa. Stworzony analizator stanów Bella wykorzystuje pojedyncze fotony przebywające jednocześnie na dwóch różnych częstotliwościach.

Czytaj też: Stan kwantowy z nowym rekordem. Osiągnięcie naukowców może doprowadzić do powstania nowej formy internetu

Pomiar stanów Bella ma fundamentalne znaczenie dla komunikacji kwantowej. Aby osiągnąć takie rzeczy jak teleportacja i zamiana splątań, potrzebny jest analizator stanów Bella.

Joseph Lukens, pracownik naukowy ORNL, członek zespołu

Teleportacja jest aktem przesyłania informacji z jednej strony do drugiej na znaczną odległość fizyczną, a zamiana splątania odnosi się do możliwości splątania wcześniej niesplątanych par kubitów.

Wyobraźmy sobie, że mamy dwa komputery kwantowe połączone siecią światłowodową. Ze względu na ich przestrzenną separację nie mogą one same ze sobą oddziaływać. Załóżmy jednak, że każdy z nich może być lokalnie splątany z jednym fotonem. Przesyłając te dwa fotony światłowodem, a następnie wykonując na nich pomiar stanu Bella w miejscu, w którym się spotkają, w efekcie końcowym okaże się, że dwa odległe komputery kwantowe są teraz splątane – mimo że nigdy nie wchodziły w interakcję. Ta tak zwana zamiana splątania jest kluczową umiejętnością w budowaniu złożonych sieci kwantowych.

Joseph Lukens
Joseph Lukens

Istnieją cztery stany Bella, ale analizator może rozróżnić tylko dwa w danym momencie – to i tak duży sukces. Analizator został zaprojektowany na podstawie symulacji i cechuje się dokładnością na poziomie 98%. Pozostałe 2% błędów jest wynikiem nieuniknionego szumu spowodowanego losowym przygotowaniem fotonów testowych, a nie samego analizatora. Ta niewiarygodna dokładność umożliwia tworzenie podstawowych protokołów komunikacyjnych niezbędnych do pracy z pojemnikami na częstotliwość.

Zespół Lukensa zamierza rozszerzyć prace na kompletny eksperyment zamiany splątania, który byłby pierwszym tego rodzaju eksperymentem w dziedzinie kodowania częstotliwości. Prace te są planowane w ramach projektu Quantum-Accelerated Internet Testbed realizowanego w ORNL.