Przesyłanie informacji kwantowych między Alice i Charlie'em
Badacze wspierani przez finansowane ze środków Unii Europejskiej projekty QIA oraz QNETWORK zaprezentowali metodę teleportacji informacji kwantowej pomiędzy dwoma węzłami pozbawionymi bezpośredniego połączenia. Wyniki przeprowadzonych przez nich badań opublikowane na łamach czasopisma naukowego „Nature”, przybliżają nas o kolejny krok do budowy kwantowego internetu, który zapewni szybszą i bardziej bezpieczną komunikację. Podobnie jak współczesne komputery łączone w sieci, także komputery kwantowe będą musiały zostać połączone sieciami, aby przekazywać między sobą bity kwantowe (nazywane kubitami) zawierające informacje. Przesyłanie tych informacji z jednej lokalizacji, która w przypadku sieci kwantowych nazywa się węzłem, do innego miejsca, może nastręczać wielu problemów. W przypadku użycia tradycyjnych światłowodów, utrata fotonów na trasie połączenia skutkuje utratą informacji. Problem ten rozwiązuje wykorzystanie zjawiska nazywanego splątaniem kwantowym, które umożliwia połączenie dwóch węzłów znajdujących się w dużej odległości od siebie, a następnie teleportację informacji między węzłami. Zanim jednak możliwa będzie teleportacja kubitów z węzła startowego do węzła docelowego, konieczne jest wprowadzenie zmian w kubicie źródłowym poprzez przeprowadzenie tak zwanego pomiaru stanu Bella. To powoduje zniknięcie stanu kwantowego kubitu w węźle startowym i pojawienie się go w węźle docelowym w zaszyfrowanej formie. Na koniec wynik pomiaru stanu Bella jest przesyłany do węzła docelowego innym kanałem, na przykład siecią światłowodową. Tym sposobem dostępna jest informacja na temat operacji, którą należy wykonać w celu odtworzenia stanu kwantowego i odszyfrowania teleportowanej informacji.
Trzeci węzeł
Dotychczas badaczom udawało się realizować ten proces w przypadku dwóch węzłów nazwanych Alice oraz Bob. Tym razem jednak zademonstrowano proces teleportacji kubitów między węzłami Alice i Charlie dzięki uzyskaniu między nimi stanu splątania poprzez węzeł Bob. Na potrzeby eksperymentu opartego na teleportacji zespół badawczy wykorzystał zbudowaną z trzech węzłów sieć kwantową zbudowaną w 2021 roku w niderlandzkim instytucie naukowym QuTech (otwartym przez Uniwersytet Techniczny w Delfcie, uczelnię koordynującą projekty QIA oraz QNETWORK, we współpracy z niezależną organizacją badawczą TNO). W celu uzyskania teleportacji charakteryzującej się wysoką dokładnością, w pierwszej kolejności konieczne było wprowadzenie kilku usprawnień. Badaczom udało się rozwiązać problem fałszywych sygnałów zapowiadających spowodowany przez niepożądany drugi foton. Ponadto rozwiązali także problem dyfuzji widmowej, a także poprawili ochronę pamięci kubitu oraz proces jego odczytu. Wszystkie te usprawnienia umożliwiły teleportację kubitów pomiędzy węzłami Alice i Charlie, które nie sąsiadują ze sobą. W pierwszym etapie procesu zespół doprowadził do splątania węzłów Alice i Charlie za pośrednictwem węzła Bob. Następnie na kubicie węzła Charlie został przeprowadzony pomiar stanu Bella, co doprowadziło do teleportacji jego stanu kwantowego do węzła Alice. Następnie zespół badawczy przesłał wynik pomiaru do węzła Alice i odtworzył zaszyfrowane informacje z dokładnością wynoszącą około 71 %. Jak czytamy w informacji prasowej opublikowanej na łamach portalu Physics World, kolejnym krokiem zaplanowanym przez prof. Ronalda Hansona z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie, który jest głównym autorem badania, jest zwiększenie liczby kubitów pamięci i przetestowanie tego rozwiązania w prawdziwej sieci. Jak zauważa badacz, który jest również jednym z założycieli instytutu QuTech, naukowcy „współpracują także z informatykami, aby wspólnie opracować technologie umożliwiające kontrolowanie sieci kwantowych – rozwiązania podobne do warstw sieciowych, na których opiera się działanie współczesnego internetu”. Przeprowadzone prace zrealizowane dzięki wsparciu projektów QIA (Quantum Internet Alliance) oraz QNETWORK (Quantum networks wired by multi-spin entanglement) stanowią ważny krok do celu, jakim jest budowa sieci kwantowych przyszłości. Rozwiązanie to toruje także drogę do opracowania wielowęzłowych protokołów oraz aplikacji opartych na teleportacji. Więcej informacji: strona projektu QIA projekt QNETWORK
Słowa kluczowe
QIA, QNETWORK, sieć kwantowa, stan kwantowy, informacja, kubit, węzeł, teleportacja, pomiar stanu Bella
