Sieci kwantowe często opisywane są jako przyszłość internetu – zamiast przesyłać informacje klasyczne w bitach, wysyłają informacje kwantowe niesione przez fotony. Te sieci mogą umożliwić ultra-bezpieczną komunikację, połączyć odległe komputery kwantowe w pojedynczą, znacznie bardziej potężną maszynę, oraz stworzyć precyzyjne systemy pomiarów, które mogą mierzyć czas lub warunki środowiskowe z niespotykaną dokładnością.
Aby taka sieć była możliwa, potrzebne są tzw. węzły sieci kwantowej, które mogą przechowywać informacje kwantowe i udostępniać je za pomocą cząstek światła. W ich najnowszej pracy drużyna z Innsbrucka pod kierownictwem Bena Lanyona z Wydziału Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu w Innsbrucku zademonstrowała taki węzeł, używając łańcucha dziesięciu jonów wapnia w prototypowym komputerze kwantowym. Poprzez staranne dostosowanie pól elektrycznych, jony były przemieszczane pojedynczo do komory optycznej. Tam, precyzyjny impuls laserowy wywołał emisję pojedynczego fotonu, którego polaryzacja była splątana z stanem jonu.
Proces ten stworzył strumień fotonów; każdy związany z innym jonem-qubitem w rejestrze. W przyszłości fotony mogłyby podróżować do odległych węzłów i być używane do ustanawiania splątania między oddzielnymi urządzeniami kwantowymi. Badacze osiągnęli średnią dokładność splątania jon-foton na poziomie 92 procent, co podkreśla odporność ich metody.
„Jedną z kluczowych zalet tej techniki jest jej skalowalność” – mówi Ben Lanyon. „Podczas gdy wcześniejsze eksperymenty zdołały połączyć tylko dwa lub trzy jony-qubity z pojedynczymi fotonami, konfiguracja z Innsbrucka może zostać rozbudowana do znacznie większych rejestrów, potencjalnie zawierających setki jonów i więcej.” Otwiera to drogę do łączenia całych procesorów kwantowych pomiędzy laboratoriami lub nawet kontynentami.
„Nasza metoda stanowi krok w kierunku budowania większych i bardziej złożonych sieci kwantowych” – mówi Marco Canteri, pierwszy autor studium. „Pozwala nam to zbliżyć się do praktycznych zastosowań, takich jak komunikacja kwantowo-bezpieczna, rozproszone obliczenia kwantowe oraz rozległe rozproszone czujniki kwantowe.”
Obok sieciowania, technologia ta mogłaby również wpłynąć na zegary atomowe optyczne, które mierzą czas w sposób tak precyzyjny, że straciłby mniej niż sekundę przez wiek wszechświata. Takie zegary mogłyby być połączone poprzez sieci kwantowe, tworząc światowy system pomiaru czasu o niezrównanej dokładności.
Praca, opublikowana teraz w Physical Review Letters, otrzymała wsparcie finansowe m.in. od Austriackiego Funduszu Nauki FWF i Unii Europejskiej, i nie tylko stanowi kamień milowy techniczny, ale także kluczowy element budowy następnej generacji technologii kwantowych.
