Naukowcom z Delft udało się teleportować informacje kwantowe przez podstawową sieć. To pierwsze tego rodzaju osiągnięcie jest ważnym krokiem w kierunku przyszłego Internetu kwantowego. Przełom był możliwy dzięki znacznie ulepszonej pamięci kwantowej i lepszej jakości połączeń kwantowych między trzema węzłami sieci. Naukowcy pracujący w QuTech – organizacji współpracującej między Politechniką w Delft i Holenderską Organizacją Stosowanych Badań Naukowych (TNO) – publikują dziś swoje wyniki w czasopiśmie naukowym Nature.

Potęga 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 możliwości obliczeniowych oraz stosowanie wysoce precyzyjnych, połączonych czujników kwantowych.

Przesyłanie 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 przesyłanie bitów kwantowych za pomocą cząstek światła, ale ze względu na nieuniknione straty w kablach światłowodowych, zwłaszcza na dużych odległościach, cząstki światła najprawdopodobniej nie dotrą do celu. Ponieważ niemożliwe jest proste skopiowanie bitów kwantowych, utrata cząstki światła oznacza nieodwracalną utratę informacji kwantowej.

Teleportacja oferuje lepszy sposób przesyłania informacji kwantowych. Protokół teleportacji kwantowej zawdzięcza swoją nazwę podobieństwu do teleportacji w filmach science-fiction: bit kwantowy znika po stronie nadawcy i pojawia się po stronie odbiorcy. Ponieważ bit kwantowy nie musi przemieszczać się przez 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, potrzeba kilku elementów: kwantowego splątanego połączenia między nadawcą a odbiorcą, niezawodnej metody odczytu procesorów kwantowych oraz możliwości tymczasowego przechowywania bitów kwantowych. Poprzednie badania przeprowadzone na QuTechu wykazały, że możliwe jest teleportowanie bitów kwantowych między dwoma sąsiednimi węzłami. Naukowcy z QuTech po raz pierwszy wykazali, że mogą spełnić pakiet wymagań i zademonstrowali teleportację między węzłami nie sąsiadującymi ze sobą, czyli przez sieć. Za pomocą węzła pośredniego „Bob” teleportowali bity kwantowe z węzła „Charlie” do węzła „Alice”.

Teleportacja w trzech krokach

Teleportacja składa się z trzech etapów. Najpierw należy przygotować „teleporter”, co oznacza, że między Alice i Charlie musi zostać utworzony stan splątany. Alice i Charlie nie mają bezpośredniego połączenia fizycznego, ale oboje są bezpośrednio połączeni z Bobem. W tym celu Alice i Bob tworzą stan uwikłany między swoimi procesorami. Bob następnie przechowuje swoją część stanu splątanego. Następnie Bob tworzy stan splątany z Charliem. Następnie wykonuje kwantowo-mechaniczną „sztuczkę”: wykonując specjalny pomiar w swoim procesorze, Bob niejako przesyła splątanie dalej. Rezultat: Alice i Charlie są teraz splątani, a teleporter jest gotowy do użycia!

Drugim krokiem jest utworzenie „wiadomości” – bitu kwantowego – który ma być teleportowany. Może to być na przykład „1” lub „0” albo różne inne pośrednie wartości kwantowe. Charlie przygotowuje tę informację kwantową. Aby pokazać, że teleportacja działa w sposób ogólny, badacze powtórzyli cały eksperyment dla różnych wartości bitów kwantowych.

Krok trzeci to faktyczna teleportacja z Charliego do Alicji. W tym celu Charlie przeprowadza wspólny pomiar wiadomości w swoim procesorze kwantowym i na swojej połowie stanu splątanego (Alicja ma drugą połowę). 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 już skończone, ale nic bardziej mylnego. W rzeczywistości bit kwantowy został zaszyfrowany podczas przesyłania, a klucz jest określony przez wynik pomiaru Charliego. Charlie wysyła więc wynik pomiaru do Alice, po czym Alice wykonuje odpowiednią operację kwantową w celu odszyfrowania bitu kwantowego. Na przykład poprzez „odwrócenie bitu”: 0 staje się 1, a 1 staje się 0. Po wykonaniu przez Alicję odpowiedniej operacji informacja kwantowa nadaje się do dalszego wykorzystania. Teleportacja zakończyła się sukcesem!

Teleportowanie się kilka razy

Dalsze badania skoncentrują się na odwróceniu pierwszego i drugiego kroku protokołu teleportacji. Oznacza to, że najpierw tworzy się (lub otrzymuje) bit kwantowy, który ma być teleportowany, a dopiero potem przygotowuje teleporter do przeprowadzenia teleportacji. Odwrócenie kolejności jest szczególnie trudne, ponieważ informacja kwantowa, która ma być teleportowana, musi być przechowywana w czasie, gdy tworzone jest splątanie. Ma to jednak istotną zaletę, ponieważ teleportacja może być wtedy przeprowadzona całkowicie „na życzenie”. Jest to istotne na przykład wtedy, gdy informacja kwantowa zawiera wynik trudnego obliczenia lub gdy teleportacja musi być wykonana wielokrotnie. W dłuższej perspektywie ten rodzaj teleportacji posłuży jako szkielet kwantowego Internetu.

Szczegóły dotyczące finansowania

Wsparcie finansowe pochodzi z programu EU Flagship on Quantum Technologies w ramach projektu Quantum Internet Alliance (EU Horizon 2020, umowa o grant nr 820445); z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC) w ramach grantu ERC Consolidator Grant (umowa o grant nr 772627 dla R. Hansonowi); 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).

Źródło: Delft University of Technology