Inżynierowie z Northwestern University jako pierwsi pomyślnie zademonstrowali teleportację kwantową za pośrednictwem kabla światłowodowego, który już przenosi ruch internetowy.
Odkrycie wprowadza nową możliwość łączenia komunikacji kwantowej z istniejącymi kablami internetowymi, co znacznie upraszcza infrastrukturę wymaganą do zastosowań rozproszonego wykrywania kwantowego lub obliczeń.
Badanie zostanie opublikowane w piątek (20 grudnia) w czasopiśmie Optica.
„To niezwykle ekscytujące, ponieważ nikt nie myślał, że to możliwe” – powiedział Prem Kumar z Northwestern, który kierował badaniem. „Nasza praca wskazuje drogę w kierunku sieci kwantowych i klasycznych nowej generacji współdzielących zunifikowaną infrastrukturę światłowodową. Zasadniczo otwiera to drzwi do wyniesienia komunikacji kwantowej na wyższy poziom”.
Kumar, ekspert w dziedzinie komunikacji kwantowej, jest profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej w McCormick School of Engineering w Northwestern, gdzie kieruje Centrum Komunikacji i Informatyki Fotonicznej.
Teleportacja kwantowa, ograniczona jedynie prędkością światła, może sprawić, że komunikacja będzie niemal natychmiastowa. Proces ten opiera się na wykorzystaniu splątania kwantowego – techniki, w której dwie cząstki są połączone, niezależnie od odległości między nimi. Zamiast cząstek fizycznie przemieszczających się w celu dostarczenia informacji, splątane cząstki wymieniają je na duże odległości – bez fizycznego ich przenoszenia.
„W komunikacji optycznej wszystkie sygnały przekształcane są na światło” – wyjaśnił Kumar. „Podczas gdy konwencjonalne sygnały stosowane w komunikacji klasycznej składają się zazwyczaj z milionów cząstek światła, informacja kwantowa wykorzystuje pojedyncze fotony”.
Przed nowym badaniem Kumara potoczna opinia sugerowała, że pojedyncze fotony toną w kablach wypełnionych milionami cząstek światła przenoszących klasyczną komunikację. To byłoby jak słaby rower próbujący przedostać się przez zatłoczony tunel pędzących ciężkich ciężarówek.
Kumar i jego zespół znaleźli jednak sposób, aby pomóc delikatnym fotonom omijać ruchliwy ruch uliczny. Po przeprowadzeniu dogłębnych badań nad rozpraszaniem światła w kablach światłowodowych naukowcy odkryli mniej zatłoczoną długość fali światła, na której umieszczane są fotony. Następnie dodali specjalne filtry, aby zredukować szumy pochodzące ze zwykłego ruchu internetowego.
„Dokładnie zbadaliśmy, w jaki sposób światło jest rozpraszane i umieściliśmy nasze fotony w dopuszczalnym punkcie, w którym ten mechanizm rozpraszania jest zminimalizowany” – powiedział Kumar. „Odkryliśmy, że możemy prowadzić komunikację kwantową bez zakłóceń ze strony klasycznych kanałów, które są jednocześnie obecne”.
Aby przetestować nową metodę, Kumar i jego zespół utworzyli 30-kilometrowy kabel światłowodowy z fotonem na obu końcach. Następnie jednocześnie przesyłali za jego pośrednictwem informacje kwantowe i regularny ruch internetowy. Na koniec zmierzyli jakość informacji kwantowej po stronie odbiorczej podczas wykonywania protokołu teleportacji, dokonując pomiarów kwantowych w punkcie środkowym. Naukowcy odkryli, że informacja kwantowa została pomyślnie przesłana – nawet przy dużym ruchu internetowym.
Następnie Kumar planuje rozszerzyć eksperymenty na większe odległości. Planuje także wykorzystać dwie pary splątanych fotonów – zamiast jednej – do zademonstrowania zamiany splątania, co jest kolejnym ważnym kamieniem milowym prowadzącym do zastosowań w rozproszonych kwantach. Wreszcie jego zespół bada możliwość przeprowadzania eksperymentów na rzeczywistych, uziemionych kablach optycznych, a nie na szpulach w laboratorium. Jednak nawet mając przed sobą więcej pracy, Kumar jest optymistą.
„Teleportacja kwantowa może zapewnić bezpieczną łączność kwantową między odległymi geograficznie węzłami” – powiedział Kumar. „Jednak wiele osób od dawna zakładało, że nikt nie zbuduje specjalistycznej infrastruktury do wysyłania cząstek światła. Jeśli odpowiednio wybierzemy długości fal, nie będziemy musieli budować nowej infrastruktury. Komunikacja klasyczna i komunikacja kwantowa mogą współistnieć”.