Mechanizm działania przełomowego eksperymentu
Podstawą całego przedsięwzięcia były dwie kropki kwantowe wykonane z arsenku galu. Pierwsza z nich, oznaczona jako QD1, generowała pojedyncze fotony, podczas gdy druga (QD2) wytwarzała splątane pary fotonów. Te nanometrowe struktury półprzewodnikowe potrafią emitować pojedyncze cząstki światła o precyzyjnie określonych parametrach. Prawdziwym wyzwaniem okazała się różnica w częstotliwościach pracy obu źródeł. Na szczęście badacze zastosowali konwertery częstotliwości kwantowej, które nie tylko zsynchronizowały oba systemy, lecz przede wszystkim zachowały stan polaryzacji fotonów podczas całego procesu. Jakiekolwiek zaburzenie tej właściwości natychmiast niszczyłoby delikatną informację kwantową.
Czytaj też: Największy regres cyfrowych praw w historii UE. Amnesty International bije na alarm
Dzięki konwersji udało się przesunąć długość fali emitowanych fotonów do 1515 nanometrów, co idealnie odpowiada standardom współczesnej telekomunikacji światłowodowej. Kropki kwantowe emitujące światło w zakresie telekomunikacyjnym to klucz do wykorzystania istniejącej infrastruktury przy budowie przyszłych sieci kwantowych. Podstawowym miernikiem skuteczności teleportacji kwantowej jest wierność, czyli dokładność odtworzenia stanu kwantowego w nowym miejscu. Zespół osiągnął wartość 0,721 dla okna czasowego wynoszącego 70 pikosekund. Choć liczby te nie wydają się spektakularne, kluczowe jest to, że przekraczają one klasyczny próg wynoszący 0,667.
Wierność teleportacji po postselekcji wynosząca do 0,721, znacząco powyżej klasycznego limitu, demonstruje udaną teleportację kwantową między światłem z odrębnych źródeł – wyjaśniają autorzy publikacji
Różnica 1,6 odchylenia standardowego wystarcza, by wykluczyć przypadkowość i potwierdzić autentyczność zjawiska kwantowego. Początkowo widzialność interferencji dwufotonowej wynosiła jedynie 30%, ale po zawężeniu okna czasowego wzrosła do imponujących 79%. To pokazuje, jak istotne jest precyzyjne dopasowanie czasowe między fotonami pochodzącymi z różnych źródeł. Całkowita wydajność układu mieściła się w przedziale 47-49% dla obu ścieżek pomiarowych. Głównym ograniczeniem okazało się rozszczepienie struktury subtelnej, które wynosiło 10,4 mikroelektronowolta dla pierwszej kropki i zaledwie 2,1 mikroelektronowolta dla drugiej. Ta niezgodność bezpośrednio wpływa na czystość generowanych fotonów i ostateczną jakość całego procesu teleportacji.
Kierunki dalszego rozwoju
Model teoretyczny opracowany przez badaczy wskazuje konkretne ścieżki optymalizacji. Najważniejsza jest widzialność interferencji dwufotonowej. Gdyby udało się ją zwiększyć do wartości bliskich 100%, średnia wierność teleportacji mogłaby osiągnąć 0,85, a w idealnych warunkach nawet 0,99. Eksperci identyfikują trzy kluczowe obszary wymagające poprawy. Po pierwsze, zastosowanie źródeł ograniczonych transformacją Fouriera generujących fotony o minimalnej szerokości widmowej. Po drugie, redukcja rozszczepienia struktury subtelnej do zera poprzez precyzyjne dostrojenie kropek kwantowych. Po trzecie, zwiększenie czystości pojedynczych fotonów przez wyeliminowanie emisji wielofotonowej.
Czytaj też: Zagadka lodu rozwiązana po 40 latach. Symulacje kwantowe pokazały co dzieje się w mikroświecie
W scenariuszu z zerowym rozszczepieniem struktury subtelnej i idealną czystością fotonów wierność przekroczyłaby 0,8 w każdym przypadku. To już wartość wystarczająca do budowy praktycznych systemów komunikacji kwantowej na duże odległości. Co ważne, półprzewodnikowe kropki kwantowe można produkować masowo metodami znanymi z przemysłu elektronicznego, co znacznie obniża koszty przyszłych wdrożeń. W ogólnym rozrachunku przeprowadzony eksperyment stanowi istotny kamień milowy w rozwoju technologii światła kwantowego. Udowodniono, iż teleportacja kwantowa między odległymi źródłami półprzewodnikowymi jest technicznie możliwa. To otwiera drogę do budowy skalowalnej infrastruktury internetu kwantowego, który zapewni poziom bezpieczeństwa komunikacji nieosiągalny dla klasycznych metod przesyłania danych.