Prezentacje projektów - Kryształowe pamięci kwantowe do komunikacji kwantowej
Zasadniczo splątanie kwantowe następuje wtedy, kiedy cząstki, takie jak fotony lub elektrony, wchodzą ze sobą fizycznie w interakcje i następnie zostają rozdzielone, zachowując przy tym silną więź, nawet jeżeli dzielą je tysiące kilometrów. To wyzwanie dla naszego poczucia zdrowego rozsądku i postrzegania świata fizycznego, niemniej zmierzona przez obserwatora cząstka znajdująca się w Tokio wykazałaby dokładnie te same cechy co jej splątana odpowiedniczka w Brukseli. Para systemów kwantowych wykorzystujących fotony w stanie splątanym może posłużyć za kwantowy kanał informacyjny do wykonywania zadań obliczeniowych, komunikacyjnych i kryptograficznych, które są nieosiągalne dla klasycznych systemów. Co najistotniejsze dla celów komunikacyjnych, pary fotonów są nierozerwalnie połączone, co zapewnia całkowite bezpieczeństwo i wierność - kiedy zmierzymy jeden foton to ujawni on z absolutną dokładnością to, co ujawniłby drugi foton przy pomiarze. Ponadto przechwycenie sygnału przez osoby trzecie byłoby niezwłocznie wykrywalne, gdyż splątanie zostałoby wówczas zerwane w celu przechwycenia komunikatu. Raz zerwanego splątania nie można przywrócić. Te właściwości otwierają cały nowy świat zastosowań. "Zastosowania technologii kwantowej nadal znajdują się w powijakach. Możliwe zatem, że nie zdajemy sobie jeszcze sprawy z większości przyszłych zastosowań" - zauważa profesor Nicolas Gisin z Grupy Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie w Genewie, Szwajcaria. "Przyszłe zastosowania technologii kwantowej prawdopodobnie wydałyby się magią dla współczesnych ludzi". Informatyka kwantowa może pozwolić nam rozwiązać zadanie - na przykład złamać kod - dzięki przyjrzeniu się jednocześnie wszystkim możliwym kombinacjom na wejściu. Podczas gdy obecnym komputerom całe lata zajęłoby zbadanie każdej kombinacji na wejściu, w komputerze kwantowym wszystkie one są testowane w tym samym czasie. Splątanie kwantowe może umożliwić natychmiastową komunikację, a nawet teleportację ciał stałych z jednego miejsca na drugie. Prof. Gisin wraz z zespołem naukowców z czterech krajów europejskich - Francji, Niemiec, Szwajcarii i Szwecji - poczynił istotny krok w kierunku urzeczywistnienia tej magii. Prowadzone prace mają pomóc w opracowaniu komercyjnych zastosowań technologii komunikacji kwantowej w ciągu najbliższych 10 lat. W toku prac nad projektem QUREP (Wzmacniacze kwantowe na potrzeby światłowodowej komunikacji kwantowej na duże odległości), przy wsparciu Komisji Europejskiej o wartości 1,9 mln EUR, konsorcjum poczyniło ważne postępy w kierunku wzmacniacza kwantowego, który potrafi wzmocnić sygnały kwantowe na większych odległościach, przybliżając rzeczywiste nadejście komunikacji kwantowej na wielkie odległości. Możliwość komunikacji kwantowej na krótkim dystansie już została dowiedziona, ale dotychczas brakowało środków do niezawodnego oddzielania splątanych fotonów na większej odległości. Naukowcy z projektu QUREP znacznie przybliżyli nas do rozwiązania tego problemu poprzez opracowanie głównych komponentów wzmacniacza kwantowego. Wzmacniacz kwantowy jest podobny do wzmacniaczy używanych obecnie w standardowej komunikacji, a jego rola polega na wzmacnianiu sygnału przychodzącego i powtórzeniu go po drugiej stronie, tak aby nie stracił na sile w czasie swojego przebiegu. "Wzmacniacze kwantowe to podstawowe elementy budulcowe komunikacji kwantowej na duże odległości. Wymagają zdolności do dystrybucji splątania na dziesiątki kilometrów, pamięci kwantowych i wymiany splątania poprzez łączne pomiary dwóch fotonów. My skoncentrowaliśmy się na pamięciach kwantowych, które stanowią największe wyzwanie" - wyjaśnia prof. Gisin. "Wyniki są bardzo obiecujące, aczkolwiek nie ma wątpliwości, że wiele jeszcze pozostaje do zrobienia, aby doprowadzić tę technologię do poziomu nadającego się do wykorzystania w przemyśle". Zespół opracował półprzewodnikowe pamięci kwantowe z kryształów domieszkowanych jonami ziem rzadkich, które absorbują część wejściową sygnału i emitują nowy foton o identycznych właściwościach splątania po drugiej stronie. "Szerokość pasma pamięci kwantowych to potężne wyzwanie" - zauważa prof. Gisin. "Nasze pamięci kwantowe mają stosunkową dużą szerokość pasma w porównaniu do alternatywnych metodologii. Niemniej są ograniczone do kilkuset megaherców (MHz). Dlatego opracowanie źródeł splątanych fotonów o kompatybilnych szerokościach pasma i wysokiej stabilności było jednym z naszych zadań. Uporawszy się z tym, moglibyśmy zaprezentować splątanie między dwiema naszymi pamięciami kwantowymi". W czasie testów zespół był w stanie przesłać foton sygnałowy do kryształu w celu przechowania, kiedy drugi foton, zwany biernym, był trzymany z tyłu. Laboratorium oddalone od Grupy Fizyki Stosowanej o 50 metrów było w stanie wykryć foton sygnałowy, który po poddaniu pomiarowi wykazał z absolutną pewnością wyniki pomiaru fotonu biernego. "Zastosowanie dużych zbiorów jonów znacznie upraszcza parowanie fotonów i pamięci na potrzeby przechowywania i wyszukiwania. Pracowaliśmy w temperaturze około minus 270 stopni Celsjusza, którą dosyć łatwo osiągnąć i jest ona kompatybilna z najlepszymi, superprzewodzącymi detektorami jednofotonowymi" - stwierdza prof. Gisin. "Nie ma zbyt wielu projektów, które są w stanie zgromadzić wszystkie niezbędne technologie i specjalistyczną wiedzę do zademonstrowania wzmacniacza kwantowego, co z pewnością udało się w ramach projektu QUREP". Aby jednak technologia wyszła z laboratorium w postaci realnych zastosowań, do pokonania pozostało kilka ważnych przeszkód. "Wyzwania do pokonania to dłuższe czasy pamięci (do jednej sekundy), wyższa wydajność (do 80%) i jeszcze sprawniejsze źródła sygnałów. Nawet wówczas ogromnym wyzwaniem wciąż będzie zapewnienie współpracy tych wszystkich elementów" - przyznaje prof. Gisin. Członkowie konsorcjum, pośród których znalazły się czołowe instytuty badawcze i przedsiębiorstwa, zamierzają kontynuować prace badawcze nad wzmacniaczami kwantowymi, nie wykluczając przy tym w dalszej perspektywie komercyjnych produktów ubocznych tych prac. Aby pojawiły się zastosowania komercyjne, koordynator QUREP przewiduje potrzebę wykonalności demonstracji wzmacniacza kwantowego do bezpośredniej komunikacji, a także dokładnej analizy uproszczeń, industrializacji oraz obniżenia kosztów rozwoju i produkcji. "Jestem przekonany, że wszystko to jest wykonalne, ale nadal wymaga od fizyków sporego nakładu czasu" - stwierdza. "Luka między badaniami akademickimi a przemysłem jest potężna. Wierzę, że wykonaliśmy ogromny krok, aby wypełnić tę lukę, aczkolwiek nadal potrzebny jest drugi krok o podobnej rozpiętości, zanim projekt inżynieryjny będzie mógł przełożyć się na produkt. W ramach pierwszego kroku, poczynionego w toku projektu QUREP, precyzyjnie określiliśmy przeszkody, jakie pozostają do pokonania i wskazaliśmy obiecujące ścieżki przejścia nad nimi". Projekt QUREP otrzymał wsparcie w ramach finansowania badań naukowych z budżetu Siódmego programu ramowego (7PR) Unii Europejskiej. Hiperłącza do projektu w serwisie CORDIS: - 7PR w serwisie CORDIS - karta informacji o projekcie QUREP w serwisie CORDIS Hiperłącze do strony internetowej projektu: - strona internetowa projektu: "Wzmacniacze kwantowe na potrzeby światłowodowej komunikacji kwantowej na duże odległości" Inne hiperłącza: - strona internetowa Komisji Europejskiej poświęcona agendzie cyfrowej