Internetul cuantic: Un foton a fost teleportat pe o distanță de 270 de metri într-o uimitoare descoperire care va schimba viitorul lumii

Oamenii de știință au teletransportat recent starea unui foton între puncte cuantice îndepărtate-aducând internetul cuantic cu un pas mai aproape.

Cercetătorii au teletransportat cu succes informații cuantice între două surse separate de fotoni pentru prima dată. Această descoperire aduce visul unui internet cuantic sigur și la scară largă mult mai aproape. Această realizare este un pas esențial pentru viitoarele rețele de comunicație cuantice. În experiment, cercetătorii au folosit un link optic de 270m în spațiu liber pentru a conecta sistemele. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Communications.

O decadă de colaborare dă roade

La Universitatea Paderborn, cercetătorii doctorali și postdoctorali au petrecut aproximativ zece ani lucrând la măsurători optice, analiză de date și evaluare. În această perioadă, grupul profesorului Klaus Jöns a colaborat strâns cu o echipă condusă de profesorul Rinaldo Trotta de la Universitatea Sapienza din Roma.

„Experimentul demonstrează impresionant că sursele de lumină cuantică bazate pe puncte cuantice semiconductoare ar putea servi drept tehnologie cheie pentru viitoarele rețele de comunicație cuantică. Teleportarea cuantică de succes între doi emițători cuantici independenți reprezintă un pas vital către relee cuantice scalabile și, astfel, implementarea practică a unui internet cuantic," a explicat profesorul Jöns, șeful grupului de cercetare 'Dispozitive cuantice fotonice hibride' și membru al consiliului Institutului pentru Sisteme Quantice Fotonice (PhoQS) de la Universitatea Paderborn.

De ce entanglementul este important pentru comunicarea cuantică

Sistemele încâlcite formate din mai multe particule cuantice oferă avantaje majore pentru tehnologiile de comunicație. În loc să se bazeze pe un singur stadiu determinat de un foton, aceste sisteme creează stadii interconectate între mai multe particule. Această abordare este esențială pentru aplicații în comunicarea sigură, procesarea datelor și calculul cuantic.

Întrelucrarea leagă proprietăți specifice ale fotonilor, permițându-le să împărtășească informații. Un stadiu reprezintă o unitate de informație care este procesată. „Anterior, acești fotoni proveneau din aceeași sursă, adică din același emițător. Deși s-au făcut progrese semnificative în ultimii ani, utilizarea emițătoarelor cuantice distincte pentru a implementa un releu cuantic între părți independente a rămas anterior inaccesibilă," a remarcat profesorul Jöns.

Strategie pe termen lung și tehnologie avansată

Acum aproximativ zece ani, profesorii Jöns și Trotta au conturat un plan pentru utilizarea punctelor cuantice ca surse de perechi de fotoni împletiți în sisteme de comunicație și teleportare. Cel mai recent succes al lor confirmă că această abordare pe termen lung a funcționat. „Acest rezultat arată că planificarea noastră strategică pe termen lung a dat roade", a spus profesorul Jöns, adăugând: „Combinația dintre știința materialelor excelente, nanofabricare și tehnologia cuantică optică a fost cheia succesului nostru."

Descoperirea s-a bazat pe contribuțiile mai multor centre de cercetare din întreaga Europă. Punctele cuantice au fost proiectate cu precizie la Universitatea Johannes Kepler din Linz, în timp ce nanofabricarea rezonatoarelor a fost realizată de partenerii de la Universitatea din Würzburg. Experimentele de teleportare au avut loc la Universitatea Sapienza din Roma, unde oamenii de știință au conectat două clădiri folosind o legătură optică de 270 m în spațiu liber.

Sistemul a folosit sincronizare asistată de GPS, detectoare ultra-rapide de fotoni unici și metode de stabilizare pentru a contracara turbulențele atmosferice. Fidelitatea stării de teleportare obținută (adică calitatea în care stările cuantice sunt păstrate în timpul teleportării) a atins până la 82 ± 1%, depășind limita clasică cu mai mult de 10 abateri standard.

Următorul Pas: Construirea unui Releu Cuantic

Această realizare deschide calea către următorul obiectiv, demonstrând „schimbul de încurcătură" între două puncte cuantice. Realizarea acestui lucru ar crea primul releu cuantic folosind două surse deterministe de perechi de fotoni împletiți. Sursele deterministe pot produce ființe unice de fotoni aproape la cerere, deși dezvoltarea lor a fost o provocare majoră.

Progrese Paralele Întăresc Cercetarea Cuantică

Aproape în același timp, o altă echipă de cercetare din Stuttgart și Saarbrücken a raportat o realizare similară folosind conversia de frecvență. Împreună, aceste rezultate marchează un punct de cotitură important pentru cercetarea cuantică în Europa și apropie viziunea unui internet cuantic funcțional de realitate. Teleportarea cuantică a fost realizată pentru prima dată prin intermediul internetului.

În 2024, un stadiu cuantic al luminii a fost teletransportat cu succes prin mai mult de 30 de kilometri (aproximativ 18 mile) de fibră optică în mijlocul unui torent de trafic pe internet - o realizare inginerescă odată considerată imposibilă. Demonstrația impresionantă a cercetătorilor din SUA s-ar putea să nu te ajute să te teleportezi la muncă pentru a evita aglomerația de dimineață sau să descarci mai repede videoclipurile tale preferate cu pisici.

Cu toate acestea, capacitatea de a teleporta stări cuantice prin infrastructura existentă reprezintă un pas monumental către realizarea unei rețele de calculatoare conectate cuantic, criptare îmbunătățită sau metode noi puternice de detectare. „Acest lucru este incredibil de interesant pentru că nimeni nu credea că este posibil", spune Prem Kumar, inginer informatician de la Universitatea Northwestern, care a condus studiul.

„Lucrarea noastră arată un drum către rețelele cuantice și clasice de generație următoare care împărtășesc o infrastructură unificată de fibră optică." Practic, deschide ușa pentru a duce comunicațiile cuantice la nivelul următor." Asemănătoare cu sistemele de transport din Star Trek care transportă pasageri prin timp și spațiu într-o clipă, teleportarea preia posibilitățile cuantice ale unui obiect într-o locație și, prin distrugerea atentă a acestuia, impune același echilibru de posibilități asupra unui obiect similar într-o altă locație.

Deși actele de măsurare a celor două obiecte le sigilează soarta în același instant, procesul de împletire a identităților lor cuantice necesită totuși trimiterea unei singure unde de informație între puncte în spațiu. Ca o vată de zahăr într-o ploaie de primăvară, starea cuantică a oricărui obiect este o pată neclară de posibilitate, cu riscul de a se topi în realitate la câteva momente după creație. Undele electromagnetice de radiație și ciocnirea și frecarea termică a particulelor în mișcare reduc rapid semnificația cuantică în decoerență dacă nu este protejată într-un fel.

Protejarea stărilor cuantice în interiorul calculatoarelor este un lucru. Trimiterea unui singur foton prin fibră optică plină de tranzacții bancare, videoclipuri cu pisici și mesaje text, protejându-i în același timp starea cuantică, este mult mai descurajantă. La fel de bine ai putea arunca vata de zahăr cuantic în Mississippi și spera că va avea același gust la final.

Pentru a păstra starea prețioasă a fotonului solitar împotriva unui curent de trafic de internet de 400 gigabiți pe secundă, echipa de cercetători a aplicat o varietate de tehnici pentru a restricționa canalul fotonului și a reduce șansele ca acesta să se disperseze și să se amestece cu alte unde. „Am studiat cu atenție modul în care este dispersată lumina și ne-am plasat fotonii într-un punct judiciar în care acel mecanism de dispersare este minimizat", spune Kumar.

Am descoperit că putem efectua comunicații cuantice fără interferențe din partea canalelor clasice care sunt prezente simultan. În timp ce alte grupuri de cercetare au transmis cu succes informații cuantice alături de fluxuri de date clasice în simulări ale internetului, echipa lui Kumar a fost prima care a teletransportat un stat cuantic alături de un flux real de internet.

Fiecare test sugerează în continuare că internetul cuantic este inevitabil, oferind inginerilor de calculatoare un nou set de instrumente pentru a măsura, monitoriza, cripta și calcula lumea noastră ca niciodată înainte, fără a fi nevoie să reinventeze internetul pentru a face acest lucru. „Teleportarea cuantică are capacitatea de a oferi conectivitate cuantică în siguranță între noduri geografic îndepărtate," spune Kumar. Dacă alegem lungimile de undă corespunzătoare, nu va trebui să construim o nouă infrastructură. Comunicațiile clasice și comunicațiile cuantice pot coexista."