Przez ostatnie lata największe wrażenie robiły na mnie głównie rekordy odległości teleportacji kwantowej. W 2017 roku stan pojedynczego fotonu udało się teleportować z Ziemi do satelity Micius na dystansie do 1400 km, a w 2024 roku specjaliści przeprowadzili teleportację w 30,2-kilometrowym światłowodzie, którym jednocześnie przesyłano klasyczny sygnał telekomunikacyjny o przepływności 400 Gb/s. Jednak co z tego, że umiemy wysłać informację bardzo daleko, jeśli zwiększanie liczby równoległych kanałów będzie wymagało coraz bardziej skomplikowanego multipleksowania i dekodowania?
Teleportacja kwantowa zdjęcia… ale nie takiego, jak myślimy
Fizycy z East China Normal University pod kierownictwem Jietai Jinga opisali w publikacji na łamach Physical Review Letters system, który pozwolił prowadzić teleportację kwantową równolegle przez aż 100 niezależnie adresowalnych kanałów. Eksperyment ten został oparty na świetle podzielonym na układ 10 x 10 przestrzennych modów. Każdy z nich możemy sobie bardzo umownie wyobrazić jako osobny piksel i jednocześnie osobny kanał kwantowy.
Czytaj też: Wielki Zderzacz Hadronów udokumentował jedno z najbardziej nieuchwytnych zjawisk mechaniki kwantowej
Badacze mogli sterować każdym z tych stu elementów niezależnie, a następnie przygotowali odpowiadającą im tablicę splątanych stanów światła. Dzięki temu zamiast wykonywać operację raz, a potem powtarzać ją dla następnego elementu informacji, system obsługiwał cały zestaw równolegle. Tak powstał słynny “teleportowany obraz”. Był nim prosty wzór przedstawiający literę “Q”, zakodowany właśnie w stu modach przestrzennych.
Nie należy jednak rozumieć tego tak, że gdzieś zeskanowano grafikę, po czym magicznie zniknęła i wyskoczyła z drugiej strony laboratorium. Teleportowane były ciągłe stany kwantowe pola optycznego, opisane m.in. przez amplitudę i fazę, a cały ich układ po rekonstrukcji układał się w znany wzór. Ważniejsze są pomiary jakości przekazanego stanu, czyli tzw. fidelity. Średnia wartość dla obrazu wyniosła około 0,60 w skali od 0 do 1. Chociaż na pierwszy rzut oka nie robi to wielkiego wrażenia, to odpowiadający temu eksperymentowi średni limit możliwy do osiągnięcia metodą klasyczną wynosił około 0,52.
Czytaj też: Niezwykła obserwacja przemiany materii kwantowej. Elektrony niczym lód
Badacze tym samym przekroczyli odpowiednie klasyczne granice we wszystkich stu modach przestrzennych. Innymi słowy, nie chodzi tylko o to, że po drugiej stronie “jakoś wyszła litera Q”. Wyniki wskazują, że rzeczywiście naukowcy zachowali przewagę wynikającą z wykorzystania zasobów kwantowych. Jeszcze ważniejszy wydaje mi się jednak sposób, w jaki zespół tego dokonał. Typowe zwiększanie liczby kanałów bardzo szybko zamienia eksperyment w potwora pełnego dodatkowych detektorów, elektroniki, układów sterujących i osobnych torów korekcji. Tutaj wykorzystali programowalne kodowanie holograficzne oraz całkowicie optyczny mechanizm feed-forward, dzięki czemu wiele kanałów można było obsługiwać równolegle bez budowania stu osobnych teleporterów.
Internet kwantowy potrzebuje nie tylko zasięgu, ale też pasma
Pisałem już przy rozmowie o przyszłości komputerów kwantowych z IBM, że nie spodziewam się “kwantowego peceta” stojącego kiedyś pod biurkiem. Znacznie bardziej prawdopodobny jest świat wyspecjalizowanych maszyn połączonych z klasycznymi komputerami i innymi układami poprzez sieć. Jeśli tak rzeczywiście będzie, to komunikacja pomiędzy węzłami stanie się równie ważna jak same procesory, a tu mechanika kwantowa robi nam jednak pod górkę. Nieznanego stanu kwantowego nie możemy sobie po prostu idealnie skopiować, wzmocnić i wysłać dalej tak, jak robimy to z klasycznym sygnałem. Dlatego teleportacja, splątanie, pamięci kwantowe i repeatery są tak istotnymi elementami koncepcji przyszłego “kwantowego Internetu”.
Nie znaczy to oczywiście, że Chiny właśnie uruchomiły światłowód przyszłości. Eksperyment pozostaje eksperymentem laboratoryjnym, a sama tablica 10 x 10 została ograniczona m.in. przez około 1 W mocy lasera pompującego układ. Autorzy sugerują, że większa moc pozwoliłaby zwiększyć liczbę modów, ale w prawdziwej sieci dojdą jeszcze straty, szum, dystrybucja splątania, synchronizacja i przechowywanie stanów kwantowych. Nie ma tu również żadnej drogi do komunikacji szybszej od światła. Teleportacja kwantowa nadal wymaga odpowiedniej komunikacji klasycznej i nie łamie szczególnej teorii względności.
Czytaj też: Grawitacja Einsteina w kwantowym świecie. Przełomowa obserwacja uczonych
Mimo tych zastrzeżeń patrzę na ten eksperyment jak na jeden z tych momentów, w których przyszłość nie nadchodzi poprzez pojedynczy gigantyczny skok. Raczej nagle okazuje się, że problem, który jeszcze niedawno rozwiązywaliśmy jeden kanał naraz, można obsłużyć setką kanałów jednocześnie. Dzisiaj bowiem dopiero zrekonstruowano prostą literę “Q”, więc znacznie ciekawsze jest to, co stanie się wtedy, gdy takich kanałów będą setki lub tysiące i zaczną łączyć realne procesory kwantowe. Wtedy być może słowo “teleportacja” przestanie kojarzyć się nam przede wszystkim z fantastyką, a zacznie oznaczać coś znacznie bardziej przyziemnego – infrastrukturę.
Źródła: Physical Review Letters, APS Physics, ScienceAlert
