6 Minutės
Tyrėjai demonstravo kvantinę teleportaciją tarp dalelių, naudodami kvantinių taškų (quantum-dot) emiterius, sujungtus trumpu optiniu pluoštu, žyminčiu žingsnį link saugesnių kvantinių tinklų. Eksperimento rezultatai rodo, kad kvantinių taškų technologija gali perduoti kvantines būsenas per optinį ryšį su perspektyvia patikimumo sparta; vis dėlto ilgesni atstumai, didesnis sėkmės dažnis ir praktiškesnė infrastruktūra lieka artimiausių tyrimų etapų prioritetais.
How the experiment worked in the lab
Praneštoje sąrangoje mokslininkai panaudojo kvantinius taškus — nanomastelio puslaidininkinius struktūrinius šaltinius, kurie pagal poreikį išskiria atskirus fotonus, naudojamus kaip kvantinę informaciją nešančias vienetas. Du atskiri kvantinių taškų moduliai buvo sujungti optiniu pluoštu, kurio ilgis siekė maždaug 10 metrų (apie 33 pėdas). Iš kiekvieno taško generuoti fotonai buvo koreguojami, laiko sinchronizuojami ir vedami per interferencijos prietaisus taip, kad meniu ar matavimo kopija leistų perkelti kvantinę informaciją iš vieno mazgo į kitą be pačios materijos perkėlimo — procesas, plačiai vadinamas kvantine teleportacija.
Praktiniu požiūriu tai reiškia, kad vietoje fizinio fotono perdavimo per visą nuotolį, eksperimentas susieja dviejų mazgų kvantines būsenas per tarpinį matavimo ir klasikinį informacijos kanalą, leidžiant tiksliai rekonstruoti originalią kvantinę būseną gavėjo pusėje. Svarbi sąlyga tokiam perdavimui — aukštas fotonų identiškumas (photon indistinguishability), lemiantis interferencijos kokybę, ir efektyvus fotonų surinkimas bei detektorių našumas. Tyrimo metu buvo taikomi tiek specializuoti optiniai filtrai, tiek atitinkami impulsų formavimo metodai, skirti pagerinti fotonų spektro ir laiko parametrų sutapimą, o taip pat sumažinti aukšto lygio triukšmą bei klaidas, susijusias su terminiu ir fotono emisijos variabilumu.
Key metrics and limitations
- Optinis ryšio ilgis: apie 10 metrų (maždaug 33 pėdos) — demonstracinis trumpas nuotolis, tinkamas laboratoriniam tyrimui ir signalo stabilumo palaikymui, bet nepakankamas tiesioginiam taikymui miestų ar regionų tinkluose be papildomų komponentų.
- Teleportacijos tikslumas (fidelity): sėkmės lygis šiek tiek viršijo 70 procentų — tai parodo reikšmingą kvantinės informacijos perduodamumo kokybę, tačiau taip pat nurodo vietą tobulinimui, siekiant pasiekti patikimesnius kriptografinius protokolus ir sumažinti klaidų sklaidą skirtingose darbo sąlygose.
- Pagrindinės techninės kliūtys: atstumo didinimas ir patikimumo gerinimas — tai apima nuostolių mažinimą pluošte, dažnio konvertavimo sprendimus, kurie leistų pereiti prie telekomunikacinių bangų ilgių, taip pat kvantinių kartotuvų (quantum repeaters) ir kartojančiųjų mazgų integraciją, be to, reikalingi pažangūs klaidų mažinimo (error-mitigation) bei korekcijos metodai.
Why this matters for the future quantum internet
Kvantinė teleportacija nėra fantastinis personažų perkėlimas, kurį matome kine; tai griežtai apibrėžtas kvantinės informacijos perdavimo būdas, užtikrinantis saugumą per kvantinio susietumo (entanglement) išsaugojimą ir matavimo pagrindu veikiančius protokolus. Globaliam kvantiniam internetui būtina funkcionali kvantinė sluoksnio architektūra: jis turi išsaugoti susietas būsenas tarp geografiškai nutolusių mazgų ir leisti vykdyti kriptografines schemas, kurios klasikiniams tinklams neprieinamos, pavyzdžiui, kvantinę raktų mainų (QKD) integraciją į plačias tinklo topologijas.
Demonstracijos, kuriose naudojami kvantinių taškų emiteriai, yra reikšmingos ir praktiškai patrauklios, nes šie įrenginiai yra suderinami su įprasta puslaidininkių gamyba ir leis, teoriškai, lengviau pereiti nuo laboratorinių bandymų prie didelio masto gamybos. Kvantiniai taškai gali būti integruojami į optoelektronines platformas, naudojant fotoninius lustus, bangolaides ir mikroscheminį sujungimą su pluoštu — tai suteikia kelią prieinamesnėms ir ekonomiškai efektyvioms technologijoms, palyginti su kai kuriomis alternatyvomis, pavyzdžiui, atskirų atomo pagrindu veikiančių sistemų ar sudėtingų izoliuotų jonų spiečių.
Tyrimo grupė atkreipė dėmesį, kad rezultatai rodo kvantinių taškų technologijos brandą ir reprezentuoja svarbų statybinį bloką būsimiems kvantinės komunikacijos tinklams. Studija publikuota žurnale Nature Communications, o autoriai pabrėžia, kad artimiausi tyrimų žingsniai apims teleportacijos diapazono plėtrą ir sėkmės tikimybės kėlimą — tai reiškia technologinių sprendimų paiešką fotonų nuostolio mažinimui, intensyvumo padidinimui, geresniam sinchronizavimui ir efektyvesniems detektoriams.
Next steps and broader prospects
Ateities darbai orientuojasi į kelis esminius krypčių blokus. Pirma, optinius ryšius planuojama išbandyti ilgesniais atstumais, įskaitant realius miesto tinklo segmentus ir tarpmiestinius pluoštus, kas reikalauja techninių sprendimų nuostolių mažinimui, pavyzdžiui, transliteracijos į telekomunikacinę dažnių juostą (pvz., 1 550 nm), kurioje pluoštas turi minimalų išsklaidymą ir slopinimą. Tam dažnai taikomas fotonų dažnio konvertavimas per nelinearius kristalus arba specializuotus dažnio keitiklius.
Antra, būtina tobulinti fotonų identiškumą ir tarpusavio interferencijos kokybę, kurių pagrindinis rodiklis yra Hong–Ou–Mandel tipo interferencijos kontrastas ir fotonų laiko bei spektro sutapimo rodikliai. Tai galima pasiekti pergrupuojant emisijos spektrą, naudojant Purcell efektą rezonatoriaus linijose, optimizuojant kvantinių taškų aplinkos dizainą bei mažinant nepageidaujamą foninį triukšmą.
Trečia, reikalinga integracija su klaidų korekcijos schemomis ir kvantinių kartotuvų architektūromis. Kvantiniai kartotuvai — vienas iš pagrindinių būdų pratęsti teleportacijos atstumą be eksponentinio nuostolio pluošte — reikalauja talpyklų („quantum memories“) su ilgais koherencijos laikotarpiais ir aukštu atgaminimo veiksmingumu. Kvantinių taškų integracija su atminties elementais išlieka technologinis iššūkis, tačiau pažanga hibridinėse sistemose (pvz., dalių susiejimas su atominių nuspalvinimo režimais arba integracija su fotoninių kristalų rezonatoriais) gali suteikti sprendimus.
Jeigu šie iššūkiai bus išspręsti, kvantinių taškų emiteriai su pluošto jungtimis gali tapti praktišku keliu link miesto (metropoliteninių) arba regioninių kvantinių tinklų, gerinančių saugias komunikacijas ir skatinančių paskirstytą kvantinį skaičiavimą. Tokie tinklai galėtų palaikyti saugią komunikaciją valstybinėms institucijoms, finansų sektoriui ir privačioms įmonėms bei sudaryti sąlygas debesinės kvantinės paslaugos plėtrai — pavyzdžiui, paskirstytiems kvantiniams procesoriams, kurie bendradarbiautų per kvantinį sluoksnį.
Galiausiai, verta paminėti platesnę perspektyvą: kvantinių taškų nustatymai pritaikomi ne tik teleportacijai, bet ir kvantinei sensorizacijai, fotonų baigtinės būsenų kontrolei bei pažangesniems kvantinės interneto elementams, tokiems kaip daugiapartiniai susiejimai ir kvantiniai tinklo protokolai, kurie remiasi tiek kvantiniu susietumu, tiek klasikinės kontrolės kanalų sinchronizacija. Integracijos su esamomis optinėmis infrastruktūromis ir pramonės lygiu plėtra gali sutrumpinti kelią nuo laboratorinių demonstracijų iki realių komercinių sprendimų, ypač jei bus išspręstos tokios problemos kaip patikimumas, mastelio ekonomika ir standartizacija.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą