Pierwsza na świecie wielowęzłowa sieć kwantowa to przełom dla internetu kwantowego

Naukowcy zbliżyli się o krok do internetu kwantowego, tworząc pierwszą na świecie wielowęzłową sieć kwantową.

Naukowcy z ośrodka badawczego QuTech w Holandii stworzyli system, który składa się z trzech węzłów kwantowych splątanych przez prawa mechaniki kwantowej, które rządzą cząstkami subatomowymi. Po raz pierwszy więcej niż dwa bity kwantowe lub „kubity”, które wykonują obliczenia w komputerach kwantowych, zostały połączone razem jako „węzły” lub punkty końcowe sieci.

Naukowcy spodziewają się, że pierwsze sieci kwantowe odblokują bogactwo mocy obliczeniowych, niedostępnych dla “klasycznych urządzeń” – wykorzystywanych między innymi szybszego obliczenia i ulepszonej kryptografii.

„Pozwoli nam to łączyć komputery kwantowe w celu uzyskania większej mocy obliczeniowej, tworzyć sieci, których nie da się złamać, a także łączyć zegary atomowe i teleskopy z bezprecedensowym poziomem koordynacji” – powiedział Matteo Pompili, członek zespołu badawczego QuTech, który stworzył sieć na Delft University of Technology w Holandii. „Jest też mnóstwo zastosowań, których tak naprawdę nie możemy przewidzieć. Jednym z nich może być na przykład stworzenie algorytmu, który będzie przeprowadzał wybory w bezpieczny sposób”.

Podobnie jak tradycyjny bit komputerowy jest podstawową jednostką informacji cyfrowej, kubit jest podstawową jednostką informacji kwantowej. Podobnie jak bit, kubit może mieć wartość 1 lub 0, co oznacza dwie możliwe pozycje w systemie dwustanowym.

Ale na tym właśnie kończą się podobieństwa. Dzięki dziwacznym prawom świata kwantowego kubit może istnieć w superpozycji stanów 1 i 0 do momentu pomiaru, kiedy to przypadkowo “zapadnie się” w 1 lub 0. To dziwne zachowanie jest kluczem do mocy obliczeń kwantowych, ponieważ umożliwia kubitowi wykonywanie wielu obliczeń jednocześnie.

Największym wyzwaniem związanym z łączeniem tych kubitów w sieć kwantową jest ustanowienie i utrzymanie procesu zwanego splątaniem, czyli tego, co Albert Einstein nazwał „upiorną akcją na odległość”. Dzieje się tak, gdy dwa kubity zostają sprzężone, łącząc ich właściwości tak, że każda zmiana w jednej cząstce spowoduje zmianę w drugiej, nawet jeśli są one oddzielone dużymi odległościami.

Węzły kwantowe można splątać na wiele sposobów, ale jedna z powszechnych metod polega na splątaniu stacjonarnych kubitów (które tworzą węzły sieci) z fotonami [cząstkami światła]. Kiedy się spotykają [kubity i fotony], dwa fotony zostają splątane, co powoduje splątanie kubitów. To wiąże dwa stacjonarne węzły, które są oddzielone odległością. Każda zmiana dokonana w jednym jest odzwierciedlona przez natychmiastową zmianę w drugim.

„Upiorna akcja na odległość” pozwala naukowcom zmienić stan cząstki poprzez zmianę stanu jej odległego, splątanego partnera, skutecznie teleportując informacje. Ale utrzymanie stanu splątania jest trudnym zadaniem, zwłaszcza że splątany system jest zawsze narażony na interakcję ze światem zewnętrznym i zniszczenie w procesie zwanym dekoherencją.

Oznacza to po pierwsze, że węzły kwantowe muszą być utrzymywane w ekstremalnie niskich temperaturach wewnątrz urządzeń zwanych kriostatami [ang. cryostat], aby zminimalizować prawdopodobieństwo, że kubity będą “czymś” zakłócane. Po drugie, fotony użyte w splątaniu nie mogą podróżować na bardzo duże odległości, zostają pochłonięte lub rozproszone, niszczą sygnał przesyłany między dwoma węzłami.

„Problem polega na tym, że w przeciwieństwie do klasycznych sieci, nie można wzmacniać sygnałów kwantowych. Jeśli spróbujesz skopiować kubit, zniszczysz oryginalną kopię” – powiedział Pompili, odnosząc się do „zakazu klonowania (No-cloning theorem)” w fizyce, które stwierdza, że nie można wykonać kopii nieznanego stanu kwantowego. „To naprawdę ogranicza odległości, na jakie możemy wysyłać sygnały kwantowe do setek kilometrów. Jeśli chcesz nawiązać komunikację kwantową z kimś na drugim końcu świata, będziesz potrzebować węzłów przekaźnikowych pomiędzy nimi”.

Aby rozwiązać ten problem, zespół stworzył sieć z trzema węzłami, w której fotony zasadniczo „przekazują” splątanie z kubitu w jednym z węzłów zewnętrznych do jednego w węźle środkowym. Węzeł środkowy ma dwa kubity – jeden do uzyskiwania stanu splątania, a drugi do jego przechowywania. Gdy splątanie między jednym zewnętrznym węzłem a środkowym węzłem zostanie zapisane, środkowy węzeł splata drugi zewnętrzny węzeł swoim zapasowym kubitem. Po wykonaniu tego wszystkiego środkowy węzeł splata swoje dwa kubity, powodując splątanie kubitów węzłów zewnętrznych.

Ale zaprojektowanie tego dziwnego kwantowo-mechanicznego spinu na klasycznej „river crossing puzzle [układanka przekraczająca rzekę jest rodzajem układanki, w której celem jest przenoszenie przedmiotów z jednego brzegu rzeki na drugi.]” było najmniejszym z kłopotów badaczy. Aby stworzyć splątane fotony i przesłać je do węzłów we właściwy sposób, naukowcy musieli użyć złożonego systemu zwierciadeł i światła laserowego. Naprawdę trudną częścią było wyzwanie technologiczne polegające na zmniejszeniu uciążliwego szumu w systemie, a także upewnieniu się, że wszystkie lasery używane do produkcji fotonów były idealnie zsynchronizowane.

„Mówimy o trzech do czterech laserów na każdy węzeł, więc zaczynasz mieć 10 laserów i trzy kriostaty, które muszą pracować w tym samym czasie, wraz z całą elektroniką i synchronizacją” – powiedział Pompili.

System trzech węzłów jest szczególnie przydatny, ponieważ kubit pamięci umożliwia badaczom ustalenie splątania w sieci, węzeł po węźle, zamiast bardziej wymagającego “robienia tego wszystkiego naraz”. Jak tylko to zostanie zrobione, informacje mogą być przesyłane przez sieć.

Niektóre z kolejnych kroków naukowców w ich nowej sieci będą polegały na próbie przesyłania tych informacji, wraz z ulepszeniem podstawowych elementów zdolności obliczeniowych sieci, tak aby mogły działać tak, jak robią to zwykłe sieci komputerowe. Wszystkie te rzeczy wyznaczą skalę, jaką może osiągnąć nowa sieć kwantowa.

Chcą również sprawdzić, czy ich system pozwoli im na ustanowienie splątania między Delft i Hagą, dwoma holenderskimi miastami oddalonymi od siebie o około 10 kilometrów.

„W tej chwili wszystkie nasze węzły znajdują się w odległości od 10 do 20 metrów od siebie” – powiedział Pompili. „Jeśli chcesz czegoś pożytecznego, musisz łączyć kilometry. To będzie pierwszy raz, kiedy będziemy łączyć duże odległości”.

Naukowcy opublikowali swoje odkrycia 16 kwietnia w czasopiśmie Science.

Źródło:  Ben Turner

Realization of a multinode quantum network of remote solid-state qubits

Zdjęcie: Marieke de Lorijn/QuTech

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x