Zaawansowana sieć kwantowa mogłaby stanowić prototyp kwantowego internetu

Jedna z najbardziej skomplikowanych sieci kwantowych zbudowanych do tej pory pozwoliłaby 18 osobom komunikować się bezpiecznie dzięki sile fizyki kwantowej. Badacze zaangażowani w prace twierdzą, że oferuje ona praktyczną drogę do budowy globalnej sieci kwantowej, ale inni są sceptyczni.

Długo obiecana sieć kwantowa pozwoliłaby komputerom kwantowym komunikować się na odległość poprzez wymianę cząsteczek światła o nazwie fotony, które zostały połączone kwantowym splątaniem. Pozwoliłaby również na łączenie sieci kwantowych sensorów lub na wysyłanie i odbieranie komunikatów, których nie można zhakować z użyciem komputerów klasycznych. Jednak łączenie świata kwantowego nie jest tak proste jak układanie kabli, gdyż zapewnienie, że jedno węzło sieci może być splątane z innym, stanowi wyzwanie.

Teraz Xianfeng Chen z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju, w Chinach, oraz jego koledzy pokazali, jak połączyć ze sobą dwie sieci kwantowe. Najpierw zbudowali dwie sieci, każda z 10 węzłami, które wszystkie dzieliły ze sobą kwantowe splątanie – efektywnie dwie niewielkie wersje sieci kwantowej. Następnie poświęcili jeden węzeł z każdej sieci, aby połączyć je razem w jedną większą, w pełni splątaną sieć, w ramach której każda para spośród pozostałych 18 węzłów mogła się komunikować.

Utworzenie sieci 18 komputerów klasycznych byłoby zadaniem prostym, wymagającym jedynie ekstremalnie tanich komponentów, ale w świecie kwantowym wiąże się z udostępnianiem pojedynczych fotonów między wieloma użytkownikami z tak precyzyjnym czasowaniem, że wymaga to zaawansowanej technologii i wiedzy specjalistycznej. Nawet komunikacja między parą urządzeń jest skomplikowana, ale umożliwienie komunikacji dowolnej pary spośród 18 użytkowników jest bezprecedensowe.

„Nasze podejście oferuje istotną zdolność do komunikacji kwantowej między różnymi sieciami oraz jest korzystne dla budowy skalowanej sieci kwantowej, która umożliwia komunikację między wszystkimi użytkownikami”, piszą badacze, którzy nie odpowiedzieli na prośbę o komentarz, w artykule o swojej pracy.

To połączenie sieci, opisane przez badaczy, wymaga procesu zwane zwisem splątania. Fotony mogą zostać stworzone jako kwantowo splątane poprzez przeprowadzenie konkretnej obserwacji zwanej pomiaru Bella. Jednoczesne pomierzenie stanu jednego fotonu z każdej z dwóch par splątanych fotonów efektywnie łączy ze sobą najbardziej oddalone dwa fotony w łańcuchu, lecz zużywa pomierzone fotony, ponieważ jakiekolwiek próby bezpośredniego sprawdzenia ich stanu niszczą delikatną równowagę kwantową.

„To nie jest pierwszy raz, kiedy pokazano zwis splątania”, mówi Siddarth Joshi z Uniwersytetu w Bristolu, w Wielkiej Brytanii. „To, co zrobili, to stworzyli schemat, w którym można dokonać zwisu między sieciami w nieco bardziej wygodny sposób.”

Joshi mówi, że obecnie badania nad komunikacją kwantową są podzielone między wysyłaniem informacji między dwoma urządzeniami na coraz większe odległości, czasami nawet z jednym na satelicie, a próbą opracowania protokołów i metod zapewnienia niezawodnego łączenia wielu urządzeń na krótkich dystansach. Ta praca badawcza należy do tej drugiej grupy. „Oba te obszary są bardzo ważne”, dodaje.

Ale Robert Young z Uniwersytetu w Lancasterze, w Wielkiej Brytanii, twierdzi, że chociaż rezultat jest fenomenalnym osiągnięciem technicznym, wymagającym zdolności i ogromnych zasobów, uważa, że koszty i złożoność sprawiają, że jest mało prawdopodobne, że posłuży jako prototyp przyszłych, szeroko rozpowszechnionych sieci kwantowych.

„To jest po prostu tak dalekie od praktyki i tak dalekie od czegokolwiek, co mogłoby być wdrożone w rzeczywistym świecie”, mówi Young. „Twierdzenie zawarte w artykule mówi, że to jest przyszłość, jak można by połączyć sieci kwantowe, jednak jest tak wiele wyzwań do rozwiązania, aby to osiągnąć, że jest to frustrujące.”

Jednym z problemów jest konieczność tzw. wzmacniaczy kwantowych do przesyłania informacji na duże odległości. Fotony coraz bardziej giną w światłowodach optycznych wraz ze wzrostem odległości, a ponieważ informacje kwantowe nie mogą być odczytywane i przesyłane ponownie – ponieważ pomiar niszczy stan fotonów – sygnały nie mogą być wzmacniane wzdłuż swojej ścieżki. Działający wzmacniacz kwantowy pozwoliłby na dalsze przesyłanie sygnałów na większe odległości, ale budowanie tych urządzeń okazało się trudne.

„Praktycznie, budując sieć kwantową, wiemy, że naprawdę będziemy potrzebować pewnej formy wzmacniacza kwantowego”, mówi Young – coś, czym ta demonstracja sieci nie zajmuje się.