Zasadniczo splątanie kwantowe następuje wtedy, kiedy cząstki, takie jak
fotony lub elektrony, wchodzą ze sobą fizycznie w interakcje i następnie
zostają rozdzielone, zachowując przy tym silną więź, nawet jeżeli
dzielą je tysiące kilometrów. To wyzwanie dla naszego poczucia zdrowego
rozsądku i postrzegania świata fizycznego, niemniej zmierzona przez
obserwatora cząstka znajdująca się w Tokio wykazałaby dokładnie te same
cechy co jej splątana odpowiedniczka w Brukseli.
Para systemów kwantowych wykorzystujących fotony w stanie splątanym
może posłużyć za kwantowy kanał informacyjny do wykonywania zadań
obliczeniowych, komunikacyjnych i kryptograficznych, które są
nieosiągalne dla klasycznych systemów. Co najistotniejsze dla celów
komunikacyjnych, pary fotonów są nierozerwalnie połączone, co zapewnia
całkowite bezpieczeństwo i wierność - kiedy zmierzymy jeden foton to
ujawni on z absolutną dokładnością to, co ujawniłby drugi foton przy
pomiarze. Ponadto przechwycenie sygnału przez osoby trzecie byłoby
niezwłocznie wykrywalne, gdyż splątanie zostałoby wówczas zerwane w celu
przechwycenia komunikatu. Raz zerwanego splątania nie można przywrócić.
Te właściwości otwierają cały nowy świat zastosowań.
"Zastosowania technologii kwantowej nadal znajdują się w powijakach.
Możliwe zatem, że nie zdajemy sobie jeszcze sprawy z większości
przyszłych zastosowań" - zauważa profesor Nicolas Gisin z Grupy Fizyki
Stosowanej na Uniwersytecie w Genewie, Szwajcaria. "Przyszłe
zastosowania technologii kwantowej prawdopodobnie wydałyby się magią dla
współczesnych ludzi".
Informatyka kwantowa może pozwolić nam rozwiązać zadanie - na
przykład złamać kod - dzięki przyjrzeniu się jednocześnie wszystkim
możliwym kombinacjom na wejściu. Podczas gdy obecnym komputerom całe
lata zajęłoby zbadanie każdej kombinacji na wejściu, w komputerze
kwantowym wszystkie one są testowane w tym samym czasie. Splątanie
kwantowe może umożliwić natychmiastową komunikację, a nawet teleportację
ciał stałych z jednego miejsca na drugie.
Prof. Gisin wraz z zespołem naukowców z czterech krajów europejskich
- Francji, Niemiec, Szwajcarii i Szwecji - poczynił istotny krok w
kierunku urzeczywistnienia tej magii. Prowadzone prace mają pomóc w
opracowaniu komercyjnych zastosowań technologii komunikacji kwantowej w
ciągu najbliższych 10 lat.
W toku prac nad projektem QUREP (Wzmacniacze kwantowe na potrzeby
światłowodowej komunikacji kwantowej na duże odległości), przy wsparciu
Komisji Europejskiej o wartości 1,9 mln EUR, konsorcjum poczyniło ważne
postępy w kierunku wzmacniacza kwantowego, który potrafi wzmocnić
sygnały kwantowe na większych odległościach, przybliżając rzeczywiste
nadejście komunikacji kwantowej na wielkie odległości.
Możliwość komunikacji kwantowej na krótkim dystansie już została
dowiedziona, ale dotychczas brakowało środków do niezawodnego
oddzielania splątanych fotonów na większej odległości. Naukowcy z
projektu QUREP znacznie przybliżyli nas do rozwiązania tego problemu
poprzez opracowanie głównych komponentów wzmacniacza kwantowego.
Wzmacniacz kwantowy jest podobny do wzmacniaczy używanych obecnie w
standardowej komunikacji, a jego rola polega na wzmacnianiu sygnału
przychodzącego i powtórzeniu go po drugiej stronie, tak aby nie stracił
na sile w czasie swojego przebiegu.
"Wzmacniacze kwantowe to podstawowe elementy budulcowe komunikacji
kwantowej na duże odległości. Wymagają zdolności do dystrybucji
splątania na dziesiątki kilometrów, pamięci kwantowych i wymiany
splątania poprzez łączne pomiary dwóch fotonów. My skoncentrowaliśmy się
na pamięciach kwantowych, które stanowią największe wyzwanie" -
wyjaśnia prof. Gisin. "Wyniki są bardzo obiecujące, aczkolwiek nie ma
wątpliwości, że wiele jeszcze pozostaje do zrobienia, aby doprowadzić tę
technologię do poziomu nadającego się do wykorzystania w przemyśle".
Zespół opracował półprzewodnikowe pamięci kwantowe z kryształów
domieszkowanych jonami ziem rzadkich, które absorbują część wejściową
sygnału i emitują nowy foton o identycznych właściwościach splątania po
drugiej stronie.
"Szerokość pasma pamięci kwantowych to potężne wyzwanie" - zauważa
prof. Gisin. "Nasze pamięci kwantowe mają stosunkową dużą szerokość
pasma w porównaniu do alternatywnych metodologii. Niemniej są
ograniczone do kilkuset megaherców (MHz). Dlatego opracowanie źródeł
splątanych fotonów o kompatybilnych szerokościach pasma i wysokiej
stabilności było jednym z naszych zadań. Uporawszy się z tym, moglibyśmy
zaprezentować splątanie między dwiema naszymi pamięciami kwantowymi".
W czasie testów zespół był w stanie przesłać foton sygnałowy do
kryształu w celu przechowania, kiedy drugi foton, zwany biernym, był
trzymany z tyłu. Laboratorium oddalone od Grupy Fizyki Stosowanej o 50
metrów było w stanie wykryć foton sygnałowy, który po poddaniu pomiarowi
wykazał z absolutną pewnością wyniki pomiaru fotonu biernego.
"Zastosowanie dużych zbiorów jonów znacznie upraszcza parowanie
fotonów i pamięci na potrzeby przechowywania i wyszukiwania.
Pracowaliśmy w temperaturze około minus 270 stopni Celsjusza, którą
dosyć łatwo osiągnąć i jest ona kompatybilna z najlepszymi,
superprzewodzącymi detektorami jednofotonowymi" - stwierdza prof. Gisin.
"Nie ma zbyt wielu projektów, które są w stanie zgromadzić wszystkie
niezbędne technologie i specjalistyczną wiedzę do zademonstrowania
wzmacniacza kwantowego, co z pewnością udało się w ramach projektu
QUREP".
Aby jednak technologia wyszła z laboratorium w postaci realnych zastosowań, do pokonania pozostało kilka ważnych przeszkód.
"Wyzwania do pokonania to dłuższe czasy pamięci (do jednej sekundy),
wyższa wydajność (do 80%) i jeszcze sprawniejsze źródła sygnałów. Nawet
wówczas ogromnym wyzwaniem wciąż będzie zapewnienie współpracy tych
wszystkich elementów" - przyznaje prof. Gisin.
Członkowie konsorcjum, pośród których znalazły się czołowe instytuty
badawcze i przedsiębiorstwa, zamierzają kontynuować prace badawcze nad
wzmacniaczami kwantowymi, nie wykluczając przy tym w dalszej
perspektywie komercyjnych produktów ubocznych tych prac.
Aby pojawiły się zastosowania komercyjne, koordynator QUREP
przewiduje potrzebę wykonalności demonstracji wzmacniacza kwantowego do
bezpośredniej komunikacji, a także dokładnej analizy uproszczeń,
industrializacji oraz obniżenia kosztów rozwoju i produkcji.
"Jestem przekonany, że wszystko to jest wykonalne, ale nadal wymaga
od fizyków sporego nakładu czasu" - stwierdza. "Luka między badaniami
akademickimi a przemysłem jest potężna. Wierzę, że wykonaliśmy ogromny
krok, aby wypełnić tę lukę, aczkolwiek nadal potrzebny jest drugi krok o
podobnej rozpiętości, zanim projekt inżynieryjny będzie mógł przełożyć
się na produkt. W ramach pierwszego kroku, poczynionego w toku projektu
QUREP, precyzyjnie określiliśmy przeszkody, jakie pozostają do pokonania
i wskazaliśmy obiecujące ścieżki przejścia nad nimi".
Projekt QUREP otrzymał wsparcie w ramach finansowania badań
naukowych z budżetu Siódmego programu ramowego (7PR) Unii Europejskiej.
Hiperłącza do projektu w serwisie CORDIS:
-
7PR w serwisie CORDIS-
karta informacji o projekcie QUREP w serwisie CORDIS
Hiperłącze do strony internetowej projektu:
-
strona internetowa projektu: "Wzmacniacze kwantowe na potrzeby światłowodowej komunikacji kwantowej na duże odległości"
Inne hiperłącza:
-
strona internetowa Komisji Europejskiej poświęcona agendzie cyfrowej
poleca:
