Naukowcom z Delft udało się teleportować informacje kwantowe przez prymitywną sieć. Ten pierwszy tego rodzaju jest ważnym krokiem w kierunku przyszłego Internetu kwantowego. Ten przełom był możliwy dzięki znacznie ulepszonej pamięci kwantowej i lepszej jakości połączeń kwantowych między trzema węzłami sieci. Naukowcy pracujący w QuTech – współpracy między Uniwersytetem Technologicznym w Delft i Holenderską Organizacją Stosowanych Badań Naukowych (TNO) – publikują dziś swoje odkrycia w czasopiśmie naukowym Nature.
Siła przyszłego Internetu kwantowego opiera się na możliwości przesyłania informacji kwantowych (bitów kwantowych) między węzłami sieci. Umożliwi to wszelkiego rodzaju zastosowania, takie jak bezpieczne udostępnianie poufnych informacji, łączenie kilku komputerów kwantowych w celu zwiększenia ich mocy obliczeniowej oraz stosowanie wysoce precyzyjnych, połączonych czujników kwantowych.
Wysyłanie informacji kwantowych
Węzły takiej sieci kwantowej składają się z małych procesorów kwantowych. Przesyłanie informacji kwantowych między tymi procesorami nie jest łatwym zadaniem. Jedną z możliwości jest wysyłanie bitów kwantowych za pomocą cząstek światła, ale ze względu na nieuniknione straty w kablach z włókna szklanego, w szczególności na duże odległości, cząstki światła najprawdopodobniej nie dotrą do celu. Ponieważ proste skopiowanie bitów kwantowych jest zasadniczo niemożliwe, utrata cząstki światła oznacza, że informacja kwantowa zostaje bezpowrotnie utracona.
Teleportacja oferuje lepszy sposób przesyłania informacji kwantowych. Protokół teleportacji kwantowej swoją nazwę zawdzięcza podobieństwom z teleportacją w filmach science-fiction: bit kwantowy znika po stronie nadawcy i pojawia się po stronie odbiorcy. Ponieważ bit kwantowy nie musi zatem podróżować przez interweniującą przestrzeń, nie ma szans na jego utratę. To sprawia, że teleportacja kwantowa jest kluczową techniką dla przyszłego Internetu kwantowego.
Dobra kontrola nad systemem
Aby móc teleportować bity kwantowe, wymagane jest kilka składników: splątane kwantowe połączenie między nadawcą a odbiorcą, niezawodna metoda odczytywania procesorów kwantowych oraz możliwość tymczasowego przechowywania bitów kwantowych. Poprzednie badania w QuTech wykazały, że możliwe jest teleportowanie bitów kwantowych między dwoma sąsiednimi węzłami. Naukowcy z QuTech po raz pierwszy pokazali teraz, że mogą spełnić pakiet wymagań i zademonstrowali teleportację między niesąsiadującymi węzłami, innymi słowy przez sieć. Teleportowali bity kwantowe z węzła „Charlie” do węzła „Alice” za pomocą węzła pośredniego „Bob”.
Teleportacja w trzech krokach
Teleportacja składa się z trzech kroków. Najpierw trzeba przygotować „teleportera”, co oznacza, że między Alicją i Charliem musi powstać stan uwikłania. Alicja i Charlie nie mają bezpośredniego fizycznego połączenia, ale oboje są bezpośrednio połączeni z Bobem. W tym celu Alice i Bob tworzą stan uwikłania między swoimi procesorami. Bob następnie przechowuje swoją część stanu uwikłania. Następnie Bob tworzy stan uwikłania z Charliem. Następnie dokonuje się kwantowej „sztuczki ręcznej”: wykonując specjalny pomiar w swoim procesorze, Bob wysyła splątanie jak gdyby. Rezultat: Alicja i Charlie są teraz uwikłani, a teleporter jest gotowy do użycia!
Drugim krokiem jest stworzenie „wiadomości” – bitu kwantowego – do teleportacji. Może to być na przykład „1” lub „0” lub różne inne pośrednie wartości kwantowe. Charlie przygotowuje tę informację kwantową. Aby pokazać, że teleportacja działa ogólnie, naukowcy powtórzyli cały eksperyment dla różnych wartości bitów kwantowych.
Krok trzeci to faktyczna teleportacja Charliego do Alice. W tym celu Charlie dokonuje wspólnego pomiaru z komunikatem na swoim procesorze kwantowym i na swojej połowie stanu splątanego (Alice ma drugą połowę). Wtedy dzieje się coś, co jest możliwe tylko w świecie kwantowym: w wyniku tego pomiaru informacja znika po stronie Charliego i natychmiast pojawia się po stronie Alicji.
Można by pomyśleć, że wszystko jest wtedy zakończone, ale nic nie może być dalsze od prawdy. W rzeczywistości bit kwantowy został zaszyfrowany podczas przesyłania; klucz jest określony przez wynik pomiaru Charliego. Więc Charlie wysyła wynik pomiaru do Alicji, po czym Alicja wykonuje odpowiednią operację kwantową w celu odszyfrowania bitu kwantowego. Na przykład poprzez „przerzucenie bitów”: 0 staje się 1, a 1 staje się 0. Po wykonaniu przez Alicję poprawnej operacji, informacja kwantowa nadaje się do dalszego wykorzystania. Teleportacja się powiodła!
Kilkakrotne teleportowanie
Dalsze badania skupią się na odwróceniu pierwszego i drugiego kroku protokołu teleportacji. Oznacza to najpierw utworzenie (lub odebranie) bitu kwantowego do teleportacji, a dopiero potem przygotowanie teleportera do przeprowadzenia teleportacji. Odwrócenie kolejności jest szczególnie trudne, ponieważ informacje kwantowe, które mają zostać teleportowane, muszą być przechowywane podczas tworzenia splątania. Ma to jednak znaczną przewagę, ponieważ teleportację można przeprowadzić całkowicie „na żądanie”. Ma to znaczenie, na przykład, jeśli informacja kwantowa zawiera wynik trudnego obliczenia lub jeśli teleportację trzeba wykonać wiele razy. Na dłuższą metę ten rodzaj teleportacji będzie zatem służyć jako kręgosłup kwantowego Internetu.
Szczegóły finansowania
Wsparcie finansowe pochodzi z EU Flagship on Quantum Technologies poprzez projekt Quantum Internet Alliance (EU Horizon 2020, umowa grantowa nr 820445); od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC) poprzez ERC Consolidator Grant (umowa o dotację nr 772627 dla R. Hansona); od Holenderskiej Organizacji Badań Naukowych (NWO) poprzez grant VICI (nr projektu 680-47-624) i program Zwaartekracht Quantum Software Consortium (nr projektu 024.003.037/3368) oraz ze stypendium Erwina-Schrödingera (QuantNet , nr J 4229-N27) Austriackiej Narodowej Fundacji Nauki (FWF).