Wyzwania techniczne stojące za teleportacją kwantową
Kropki kwantowe to nanostruktury półprzewodnikowe zachowujące się jak sztuczne atomy. Charakteryzują się dyskretnymi poziomami energetycznymi i zdolnością emisji pojedynczych fotonów. Główną przeszkodą w ich wykorzystaniu do teleportacji jest fakt, że każda kropka nieco różni się od innych, podczas gdy proces wymaga fotonów o niemal identycznych właściwościach, w tym barwie i synchronizacji. Po latach badań zespołom badawczym udało się częściowo przezwyciężyć te ograniczenia. Instytut Leibniza w Dreźnie opracował kropki kwantowe o zminimalizowanych różnicach, podczas gdy grupa prof. Christopha Bechera z Uniwersytetu Kraju Saary stworzyła konwertery częstotliwości, które korygują drobne niezgodności między fotonami.
Czytaj też: Splątanie kwantowe wreszcie działa w dwie strony. Ta technologia zmieni zasady bezpieczeństwa komunikacji
W komunikacji kwantowej informacja kodowana jest w polaryzacji fotonów, czyli ich orientacji przestrzennej. Pojedynczy foton może być spolaryzowany pionowo, poziomo lub znajdować się w superpozycji obu stanów równocześnie. Ta kwantowa właściwość powoduje, iż każda próba pomiaru pozostawia wykrywalne ślady, uniemożliwiając dyskretny podsłuch. Podstawowym wyzwaniem przy przesyłaniu danych na większe odległości jest konieczność wzmacniania sygnału. W konwencjonalnych sieciach światłowodowych odbywa się to co około 50 kilometrów, jednak informacji kwantowej nie da się po prostu skopiować bez jej zniszczenia. Rozwiązaniem mogą się okazać wzmacniacze kwantowe wykorzystujące zjawisko teleportacji do regeneracji sygnału bez konieczności jego odczytywania.
W nowym eksperymencie jedna kropka kwantowa emitowała pojedynczy foton, podczas gdy druga generowała splątaną parę fotonów. Splątanie kwantowe tworzy między cząstkami szczególne połączenie – dzielą one wspólny stan niezależnie od dzielącej je odległości. Nałożenie jednego fotonu z pary na foton z pierwszej kropki pozwala na przeniesienie informacji na drugi, odległy foton ze splątanej pary.
Możliwości rozwoju sieci kwantowych
W obecnej formie eksperyment przeprowadzono na odległość zaledwie 10 metrów światłowodu z efektywnością około 70 procent. To skromne wyniki, lecz wcześniejsze badania wykazały, że splątanie między fotonami z kropek kwantowych może przetrwać transmisję przez 36 kilometrów światłowodu w warunkach miejskich.
Osiągnięcie tego eksperymentu było długotrwałą ambicją – te wyniki odzwierciedlają lata naukowej dedykacji i postępu. Ekscytujące jest widzieć, jak eksperymenty skupione na badaniach podstawowych stawiają pierwsze kroki w kierunku praktycznych zastosowań – podsumowuje Simone Luca Portalupi, kierownik grupy optyki kwantowej w Stuttgarcie
Czytaj też: Francuski fizyk opracował uniwersalne prawo rozpadu obiektów. Działa dla szkła, cieczy i baniek
Prace te są elementem szerszego projektu QR.N finansowanego przez niemieckie Federalne Ministerstwo Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej. Zespół ze Stuttgartu koncentruje się obecnie na zwiększeniu zasięgu transmisji i poprawie skuteczności procesu. Kluczowe znaczenie mają tu udoskonalone metody wytwarzania półprzewodników umożliwiające produkcję bardziej jednorodnych kropek kwantowych. Jeśli te wysiłki się powiodą, internet kwantowy mógłby stać się rzeczywistością szybciej niż się spodziewamy, wykorzystując istniejącą już infrastrukturę światłowodową. Chociaż osiągnięcia niemieckich naukowców robią wrażenie, to skuteczność na poziomie 70 procent i zasięg 10 metrów to dopiero początek długiej podróży. Prawdziwym testem dla tej technologii będzie jej skalowanie na większe odległości przy zachowaniu akceptowalnej efektywności.