Teleportacja kwantowa to technika umożliwiająca przesyłanie informacji kwantowej między dwoma odległymi obiektami kwantowymi, nadawcą i odbiorcą, wykorzystując zjawisko zwane splątaniem kwantowym jako zasób. Unikalną cechą tego procesu jest to, że rzeczywista informacja nie jest przekazywana poprzez przesyłanie bitów kwantowych (kubitów) przez kanał komunikacyjny łączący obie strony; zamiast tego informacje są niszczone w jednym miejscu i pojawiają się w drugim bez fizycznego przemieszczania się między nimi. Ta zaskakująca właściwość jest możliwa dzięki splątaniu kwantowemu, któremu towarzyszy transmisja klasycznych bitów.
Teleportacja kwantowa cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem w dziedzinie komunikacji kwantowej i sieci kwantowych, ponieważ umożliwiłaby ona przesyłanie bitów kwantowych między węzłami sieci na bardzo duże odległości przy użyciu wcześniej współdzielonego splątania. Pomogłoby to w integracji technologii kwantowych z obecnymi sieciami telekomunikacyjnymi i rozszerzyłoby ultrabezpieczną komunikację zapewnianą przez te systemy na bardzo duże odległości. Ponadto teleportacja kwantowa umożliwia przenoszenie informacji kwantowej między różnymi rodzajami układów kwantowych, np. między światłem a materią lub między różnymi rodzajami węzłów kwantowych.
Teleportacja kwantowa została teoretycznie zaproponowana na początku lat 90., a kilka grup na całym świecie przeprowadziło eksperymentalne demonstracje. Podczas gdy społeczność naukowa zdobyła duże doświadczenie w przeprowadzaniu tych eksperymentów, nadal otwarte jest pytanie, jak teleportować informacje w praktyczny sposób, umożliwiając niezawodną i szybką komunikację kwantową w rozszerzonej sieci. Wydaje się oczywiste, że taka infrastruktura powinna być kompatybilna z obecną siecią telekomunikacyjną. Ponadto protokół teleportacji kwantowej wymaga wykonania na teleportowanym kubicie ostatecznej operacji, uzależnionej od wyniku pomiaru teleportacji (transmitowanego klasycznymi bitami), w celu wiernego i szybszego przesyłania informacji, cechą zwany aktywnym sprzężeniem zwrotnym. Oznacza to, że odbiornik wymaga urządzenia znanego jako pamięć kwantowa, które może przechowywać kubit bez degradacji go do czasu wykonania ostatecznej operacji. Wreszcie, ta pamięć kwantowa powinna działać w sposób multipleksowany, aby zmaksymalizować szybkość teleportacji informacji, gdy nadawca i odbiorca są daleko. Do tej pory żadna implementacja nie uwzględniała tych trzech wymagań w tej samej demonstracji.
W niedawnym badaniu opublikowanym w Nature Communications, badacze ICFO Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac, Samuele Grandi, kierowani przez ICREA prof. kubit stanu, foton przechowywany w multipleksowanej pamięci kwantowej. Technika ta polegała na wykorzystaniu aktywnego schematu sprzężenia zwrotnego, co w połączeniu z multimodalnością pamięci pozwoliło na maksymalizację szybkości teleportacji. Zaproponowana architektura była kompatybilna z kanałami telekomunikacyjnymi, umożliwiając w ten sposób przyszłą integrację i skalowalność na potrzeby komunikacji kwantowej na duże odległości.
Jak osiągnąć teleportację kwantową
Zespół zbudował dwie eksperymentalne konfiguracje, które w żargonie społeczności są zwykle nazywane Alice i Bob. Dwie konfiguracje zostały połączone 1-kilometrowym światłowodem nawiniętym na szpulę, aby naśladować fizyczną odległość między stronami.
W eksperymencie brały udział trzy fotony. W pierwszej konfiguracji, Alice, zespół użył specjalnego kryształu do stworzenia dwóch splątanych fotonów: pierwszego fotonu przy 606 nm, zwanego fotonem sygnałowym, oraz drugiego fotonu, zwanego fotonem jałowym, kompatybilnego z infrastrukturą telekomunikacyjną. Po utworzeniu „trzymaliśmy pierwszy foton 606 nm w Alice i przechowywaliśmy go w zmultipleksowanej półprzewodnikowej pamięci kwantowej, przechowując go w pamięci do przyszłego przetwarzania. W tym samym czasie wzięliśmy foton telekomunikacyjny utworzony w Alice i wysłaliśmy go przez 1 km światłowodu, aby dotrzeć do drugiej konfiguracji eksperymentalnej, zwanej Bob”, wspomina Dario Lago.
W tej drugiej konfiguracji, Bob, naukowcy mieli kolejny kryształ, w którym stworzyli trzeci foton, w którym zakodowali bit kwantowy, który chcieli teleportować. Po utworzeniu trzeciego fotonu, drugi foton dotarł do Boba od Alicji i tutaj odbywa się sedno eksperymentu z teleportacją.
Teleportacja informacji na odległość ponad 1 km
Drugi i trzeci foton interferowały ze sobą w tak zwanym pomiarze stanu Bella (BSM). Efektem tego pomiaru było wymieszanie stanu drugiego i trzeciego fotonu. Dzięki temu, że fotony pierwszy i drugi były od początku splątane, czyli ich stan połączenia był silnie skorelowany, rezultatem BSM było przeniesienie informacji zakodowanej w trzecim fotonie do pierwszego, zapisanego przez Alicję w pamięci kwantowej, oddalonej o 1 km. Jak wspominają Dario Lago i Jelena Rakonjac, „jesteśmy w stanie przenosić informacje między dwoma fotonami, które nigdy wcześniej nie miały ze sobą kontaktu, ale połączone przez trzeci foton, który rzeczywiście był splątany z pierwszym. Wyjątkowość tego eksperymentu polega na tym, że zastosował multipleksowaną pamięć kwantową zdolną do przechowywania pierwszego fotonu na tyle długo, że zanim Alice dowiedziała się, że doszło do interakcji, nadal byliśmy w stanie przetworzyć teleportowane informacje zgodnie z wymogami protokołu.
To przetwarzanie, o którym wspominają Dario i Jelena, było wspomnianą wcześniej aktywną techniką sprzężenia zwrotnego. W zależności od wyniku BSM zastosowano przesunięcie fazowe do pierwszego fotonu po zapisaniu w pamięci. W ten sposób ten sam stan byłby zawsze zakodowany w pierwszym fotonie. Bez tego połowa zdarzeń związanych z teleportacją musiałaby zostać odrzucona. Co więcej, multimodalność pamięci kwantowej pozwoliła im zwiększyć szybkość teleportacji poza granice narzucone przez odległość 1 km między nimi bez pogorszenia jakości teleportowanego kubitu. Ogólnie rzecz biorąc, dało to szybkość teleportacji trzykrotnie wyższą niż w przypadku jednomodowej pamięci kwantowej, ograniczoną jedynie szybkością klasycznego sprzętu.
Skalowalność i integracja
Prekursorem tego eksperymentu był eksperyment przeprowadzony przez tę grupę w 2021 roku, w którym po raz pierwszy osiągnięto splątanie dwóch wielomodowych pamięci kwantowych oddalonych od siebie o 10 metrów i zwiastowane fotonem o długości fali telekomunikacyjnej.
Jak podkreśla Hugues de Riedmatten: „Teleportacja kwantowa będzie kluczowa dla umożliwienia wysokiej jakości komunikacji na duże odległości w przyszłym kwantowym internecie. Naszym celem jest wdrożenie teleportacji kwantowej w coraz bardziej złożonych sieciach, z wcześniej rozproszonym splątaniem. i multipleksowy charakter naszych węzłów kwantowych, a także ich kompatybilność z siecią telekomunikacyjną sprawiają, że są one obiecującym podejściem do wdrażania technologii na duże odległości w zainstalowanej sieci światłowodowej”.
Planowane są już dalsze udoskonalenia. Z jednej strony zespół koncentruje się na rozwijaniu i ulepszaniu technologii w celu rozszerzenia konfiguracji na znacznie większe odległości przy zachowaniu wydajności i szybkości. Z drugiej strony mają również na celu zbadanie i wykorzystanie tej techniki do przesyłania informacji między różnymi typami węzłów kwantowych na potrzeby przyszłego kwantowego Internetu, który będzie w stanie rozpowszechniać i przetwarzać informacje kwantowe między odległymi stronami.