Inżynierowie cały czas dopracowują technologie komunikacyjne, których fundamenty znamy od dziesięcioleci. Tymczasem naukowcy z amerykańskich i kanadyjskich uczelni dokonali przełomu w kwestii badań tworzących podwaliny dla Internetu kwantowego. Sukces ten polega na udanej teleportacji kubitów na łącznym dystansie 44 km pomiędzy laboratoriami FQNET i CQNET. Niestety osiągnięcie to jest przez niektórych błędnie interpretowane.
Podwaliny współczesnej radiokomunikacji stanowią równania, które w 1864 roku spisał i uporządkował James Clerk Maxwell. Z kolei dopiero rozwój technologii półprzewodnikowej i powstanie wydajnych komputerów pozwoliło na opracowanie oprogramowania, które korzysta z tych równań do projektowania anten czy też układów mikrofalowych. Natomiast pierwszym systemem, który służył do bezprzewodowego przesyłu informacji, był wynaleziony przez Guglielmo Marconiego w 1894 roku bezprzewodowy telegraf. Daty te pokazują, że od powstania pewnego wynalazku do jego upowszechnienia i zrewolucjonizowania świata mija nawet ponad 100 lat. Co prawda postęp technologiczny jest coraz szybszy. Jednak musimy mieć na uwadze również to, że na Internet kwantowy jeszcze długo poczekamy. Pomimo tego nie powinniśmy zniechęcać się do poczynań naukowców, którzy pracują nad kwantową transmisją informacji. Przy czym, zanim przejdziemy do zachwytów, to warto wyjaśnić sobie fundamenty stojące za tą nową technologią.
Internet kwantowy, czyli rewolucja w bezpieczeństwie i informatyce kwantowej
Podwaliny Internetu kwantowego ma stanowić zjawisko tzw. splątania kwantowego. Polega ono na skorelowanym stanie dwóch lub więcej układów kwantowych. Dzięki temu kwantowa teoria informacji zakłada, że możliwe jest przeniesienie stanu kwantowego na dowolną odległość. Jednocześnie mówi się o tzw. teleportacji kwantowej, ponieważ zmiana stanu jednego kubita informacji powoduje natychmiastową zmianę stanu skorelowanych z nim kubitów. Jednak, wbrew temu, co przeczytacie w nagłówkach wielu portali, zjawisko to nie pozwala na transmisję danych z prędkością nadświetlną. “Problem” polega na tym, tzw. teleportacja kwantowa nie może łamać zakazu klasycznej teleportacji. Dlatego też wymaga ona klasycznego (np. światłowodowego) kanału komunikacji, którym przesyłane są wyniki pomiaru lokalnego stanu kwantowego.
Zgodnie z teorią na każdy przesłany kubit należy klasycznym kanałem informacyjnym przesłać dwa bity informacji. Pozornie rozwiązanie to wydaje się niepraktyczne. Jednak szkopuł tkwi w szczegółach. Okazuje się bowiem, że jeżeli osoba trzecia przechwyci klasyczną komunikację i zna całą procedurę, to i tak nie będzie ona w stanie odtworzyć stanu kubita.
Przeczytaj również: Europejscy operatorzy przetestują kwantowe szyfrowanie sieci, ma być szybko i bezpiecznie
Teleportacja kubitów na odległość 44 km – jak przebiegał eksperyment
Wszystkie szczegóły dotyczące eksperymentu opisane są w artykule opublikowanym w czasopiśmie PRX Quantum. Zawiera on również schemat całego systemu.
Zestawione przez naukowców środowisko składa się z trzech kluczowych elementów:
- Alice – generatora pojedynczego kubitu,
- Bob – generatora splątanego kubitu i systemu pomiaru kupitu teleportowanego,
- Charlie – systemu pomiaru stanów kwantowych typu Bella.
Przedstawiony system pozwala na detekcję kubitów ze sprawnością około 90%. Oznacza to, że na każde 10 przesłanych kubitów przypada jeden, którego stan został określony błędnie. Do tego uzyskana prędkość jest niewielka. Naukowcy wspominają o udanej teleportacji z częstotliwością rzędu jedne Hertza. Nie jest to dużo. Jednak badacze mają już pomysły na kolejne usprawnienia.
Prace związane z sieciami kwantowymi i powiązanym z nimi technologiami prowadzi zespół złożony z pracowników Fermilab, AT&T, Caltech, Uniwersytetu Harvarda, Uniwersytetu w Calgary oraz NASA.
Internet kwantowy nie obejdzie się bez “przyziemnej” technologii
Teleportacja kubitów wymaga wiele zachodu. Jednak z prostego rozrachunku widać jak na dłoni, że zabieg ten jest jak najbardziej opłacalny. I nie chodzi tutaj o samo bezpieczeństwo takiej transmisji informacji. Pojedynczy kubit, który jest podstawową jednostką informacji kwantowej, niesie informację nie tylko o dwóch możliwych stanach, ale również o pełnym zakresie stanów pośrednich. Jednak w Internecie kwantowym nie chodzi o przesyłanie dużych porcji danych, którymi się dzisiaj posługujemy.
Komputery kwantowe korzystają z innych zjawisk fizycznych niż komputery klasyczne. Dlatego też pozwalają one na rozwiązanie specyficznych problemów obliczeniowych w dużo krótszym czasie. Przy czym łączenie komputerów kwantowych za pośrednictwem klasycznej sieci wymagałoby pośredniej konwersji kubitów na bity i odwrotnie. Dlatego też naukowcy pracują nad wspomnianym przesyłem (a dokładniej teleportacją) kubitów. Dzięki temu możliwa byłaby budowa ogólnoświatowej sieci, która łączyłaby ze sobą komputery kwantowe.
Na koniec należy zwrócić jeszcze raz uwagę na to, że zostało podkreślone na początku. Teleportacja kubitów wymaga klasycznego kanału komunikacyjnego. Oznacza to, że rozwój informatyki kwantowej jest ściśle powiązany z rozwojem klasycznej telekomunikacji. Są to zarówno sieci światłowodowe, jak i przeróżne techniki łączności bezprzewodowej. Dzisiaj jest to komunikacja na częstotliwościach milimetrowych. Z kolei przyszłość należy również do techniki terahercowej. Naukowcy upatrują duży potencjał w tzw. bezprzewodowych światłowodach, czyli komunikacji na dalekie dystanse z użyciem laserów.
