5 Minutės
Netikėtas kvantinių ryšių etapas: JAV mokslininkai sėkmingai teleportavo šviesos kvantinę būseną per daugiau nei 30 kilometrų aktyvų optinį kabelį, kuriuo tęsėsi realus interneto srautas. Eksperimentas demonstruoja, kad jautrūs kvantiniai signalai gali išgyventi triukšmingą esamos telekomunikacijų infrastruktūros aplinką — tai itin svarbus žingsnis link praktiško kvantinio interneto, tvirtesnių šifravimo schemų ir naujų jutiklių technologijų.
Kaip teleportacija pavyko užimtoje tinkle
Kvantinė teleportacija skamba kaip mokslinė fantastika: perkelti tikslią dalelės kvantinę būseną iš vienos vietos į kitą be pačios dalelės judinimo. Praktikoje teleportacija kopijuoja tikimybinę kvantinę būseną iš vieno fotono į kitą suentanglintos poros pagalba ir atliekant koordinuotus matavimus. Tie matavimai griauna pradinę būseną ir, turint tinkamą klasikinę informaciją, ją atkuria gavimo pusėje.
Tačiau vieno kvantinio fotono siuntimas per kabelį, jau perpildytą klasikiniu duomenų srautu, yra ypatingai sudėtingas. Šiluminis judėjimas, pašaliniai elektromagnetiniai laukai ir sklaida glaudžiai bendradarbiauja naikindami trapią kvantinę informaciją procese, vadinamame dekoherencija. Tyrėjų komandai pavyko įveikti šias kliūtis tuo metu, kai kabeliu tekėjo maždaug 400 gigabitų per sekundę interneto srautas — bankiniai pavedimai, vaizdo transliacijos ir tekstiniai ryšiai keliavo kartu su kvantiniu kanalu.
Optiniai kabeliai naudojami interneto ryšiui perduoti. (alphaspirit it/Canva)
Užuot kloję specialius kvantinius ryšius, mokslininkai sureguliavo kvantinį kanalą taip, kad jis naudotų bangos ilgius ir laiko tarpus, kuriuose minimalizuojama sklaida ir kryžminės sąveikos su klasikiniais srautais. Kruopščiai ištirdami, kaip šviesa sklaidosi kabelyje, ir uždėdami fotonus į „tinkamą spektrinį tašką“, jie sumažino riziką, kad kvantinis signalas susimaišys su įprastu interneto srautu. Rezultatas: kvantinės būsenos sėkmingas teleportavimas per daugiau nei 30 km veikiančio kabelio.
„Tai nepaprastai įdomu, nes niekas nežinojo, ar tai įmanoma“, — sakė Prem Kumar, kompiuterių inžinierius iš Northwestern universiteto, vadovavęs studijai. „Mūsų darbas rodo kelią, kaip ateities kvantiniai ir klasikiniai tinklai gali dalintis vieninga optinio pluošto infrastruktūra.“
Kodėl tai svarbu: kvantinis internetas be naujų magistralių
Anksčiau laboratoriniai bandymai siuntė kvantinius signalus kartu su imituotais klasikiais duomenimis arba naudojosi specializuotu kabeliu. Kumar komanda, kiek jiems žinoma, yra pirmoji, teleportavusi kvantinę būseną tuo pačiu kabeliu, kuriuo tą pačią akimirką tekėjo realus interneto srautas. Tai reiškia, kad galbūt nereikės pertvarkyti pasaulinių tinklų, kad pridėti kvantinių galimybių — įmanoma sugyventi ant tos pačios fizinės infrastruktūros, jei atsargiai parenkami bangos ilgiai ir protokolai.
Praktiniai kvantiniai ryšiai galėtų atverti kelias pažangias sritis:
- Saugus kvantinis raktų paskirstymas (QKD), atsparus būsimiems kvantinių kompiuterių išpuoliams.
- Distribuotas kvantinis skaičiavimas, kai geografiškai atskiri procesoriai dalijasi susietomis kvantinėmis būsenomis.
- Patobulinta jutimo ir metrologijos technologija, panaudojanti susietumą (entanglement) viršijant klasikinius ribojimus.
„Kvantinė teleportacija gali suteikti saugų kvantinį ryšį tarp geografiškai nutolusių mazgų“, — pridūrė Kumar. „Tačiau daugelis manė, kad niekas nebus pajėgus tiesti specialios infrastruktūros šviesos dalelėms siųsti. Jei tinkamai pasirinksim bangos ilgius, nereikės statyti naujos infrastruktūros. Klasikinė ir kvantinė komunikacija gali egzistuoti kartu.“
Techninis apžvalga: susietumas, fotonai ir triukšmo valdymas
Eksperimente teleportuota šviesos lauko kvantinė būsena — praktiškai vieno fotono būsena, o ne makroskopinis objektas. Susietumas (entanglement) nustatė koreliuojančias kvantines tapatybes tarp siuntėjo ir gavėjo. Bendras matavimas siuntėjo pusėje sunaikino pradinę būseną ir perdavė klasikinę informaciją, leidžiančią gavėjui atkurti tą būseną ant porinio fotono.
Sėkmei buvo lemiamos priemonės, ribojusios, kur ir kada kvantiniai fotonai galėjo kontaktuoti su klasikiniu srautu: išmanus bangos ilgio parinkimas, laiko langų taikymas ir tikslus sklaidos efekto valdymas. Šie inžineriniai sprendimai sumažino dekoherenciją pakankamai ilgai, kad teleportacija galėtų užbaigti procesą net ir esant intensyviam fono duomenų srautui.
Komanda savo rezultatus paskelbė žurnale Optica, pabrėždama kartotiną techniką, leidžiančią integruoti kvantinius kanalus į dabartinę interneto infrastruktūrą. Peržiūrėkite žemiau pateiktą vaizdo įrašą, kuriame apibendrinta jų tyrimų esmė:
Pasekmės ir tolesni žingsniai kvantiniams tinklams
Nors šis demonstravimas neleis „teleportuoti“ fizinių objektų, jis parodo, kad kvantinė būsena, reikalinga saugiems ryšiams ir paskirstytoms kvantinėms užduotims, gali keliauti kartu su kasdieniu interneto srautu. Ateities darbai plės atstumus, gerins klaidų dažnius ir integruos kvantinius kartotuvus (quantum repeaters), kurie pratęstų susietumą didesniais atstumais. Inžinieriai taip pat tobulins multiplexavimo metodus, kad daugybė kvantinių kanalų galėtų dalintis pluoštais be tarpusavio trukdžių.
Ilgainiui šie pasiekimai gali atvesti prie hibridinių klasikinės–kvantinės tinklų, kur duomenys, raktai ir kvantiniai ištekliai juda kartu. Tai pagreitintų realaus pasaulio priėmimą kvantinių technologijų paslaugoms be didelių infrastruktūros pakeitimų.
Eksperto įžvalga
„Šis eksperimentas yra pragmatiškas tiltas tarp fundamentinės kvantinės fizikos ir komercinių tinklų realybės“, — teigia dr. Lena Ortiz, kvantinės komunikacijos inžinierė (išgalvota), turinti patirties diegiant optinius tinklus. „Įrodžius sugyvenamumą su didelio pralaidumo klasikiniais srautais, sritis gali pereiti nuo izoliuotų laboratorinių sąlygų prie bandomųjų diegimų savivaldybių ir nacionaliniuose tinkluose. Kitas iššūkis — patikima klaidų korekcija ir eksploataciniai protokolai, veikiantys mastu.“
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą