Nowe metody kwantowej komunikacji
Komunikacja kwantowa od lat opisywana jest jako nadzieja na bezpieczną, praktycznie niemożliwą do rozszyfrowania i bardzo szybką formę wymiany informacji. Nadal są to jednak tylko nadzieje, ponieważ współczesna technologia to nadal zawodne, bardzo ograniczone ilościowo możliwości przesyłowe. Badania fizyków z Uniwersytetu w Chicago przynoszą pewien interesujący postęp dzięki zastosowaniu mikrofal i fononów, czyli kwantów fali dźwiękowej.
Komunikacja kwantowa, polegająca na przesyłaniu informacji za pomocną zestawu pojedynczych cząstek – najczęściej za pomocą splątanych fotonów – ma szansę stać się całkowicie bezpieczną formą komunikacji. Podglądanie czy śledzenie takiego przekazu jest praktycznie nie wykonalne, a ktokolwiek spróbuje to zrobić, pozostawi po sobie wyraźne ślady.
Niestety, przesłanie kwantowej informacji jest znacznie trudniejsze niż użycie tradycyjnych kanałów, takich jak linie światłowodowe. Poszczególne fotony niosące informację łatwo mogą zostać uszkodzone albo się zgubić, co sprawia że sygnał staje się słabszy lub niepoprawny. Wiadomość musi być zwykle wysyłana kilkukrotnie, żeby nadawca miał pewność, że dotarła kompletna i poprawna.
Najnowsze badania naukowców z Pritzker School of Molecular Engineering (PME) na Uniwersytecie w Chicago podejmują wyzwanie wsparcia komunikacji kwantowej. Zespół prof. Andrew Clelanda opisał w czasopiśmie „Physical Review Letters” nową technikę, za pomocą której udał się przesłać kwantową informację między dwoma węzłami połączonymi jednym kanałem, bez zajmowania tego kanału. Badacze wykorzystali do tego zjawisko splątania między dwoma węzłami kwantów.
Publikacja jest kontynuacją badań tego samego zespołu, zaprezentowanych w poprzednim numerze tego samego czasopisma. Opisane tam badania doprowadziły do splątania dwóch fononów – kwantów fali dźwiękowej.
– Obie publikacje prezentuję zupełnie nowe podejście do technologii kwantowej – mówi Andrew Cleland, profesor inżynierii molekularnej w Pritzker School of Molecular Engineering i badacz w Argonne National Laboratory, jednej z najstarszych amerykańskich placówek badawczych. – Liczymy na to, że nasze wyniki będą miały znaczenie dla przyszłości komunikacji kwantowej i półprzewodnikowych systemów kwantowych.
Splątane fotony i fonony przeczą zwykłemu doświadczeniu. Kwantowe splątanie, któremu ulegają według mechaniki kwantowej, może przetrwać po ich rozłączeniu i oddzieleniu na duży dystans. Splątanie polega na tym, że pomimo rozłączenia, kiedy zmianie ulegnie jedna z cząstek, równocześnie zmianie ulega kolejna. Einstein nazywał to splątanie „upiornym” (spooky). Komunikacja kwantowa wykorzystuje to zjawisko, kodując informacje w tak splątanych pakietach kwantów.
Celem badań zespołu Clelanda jest zaprojektowanie takiej kwantowej wiadomości, która nie zostanie utracona lub zniekształcona w przekazie. Zaproponowane rozwiązanie, które rozwijał Hung-Shen Chang, student należący do zespołu Clelanda, polega na tym, by splątać dwa węzły komunikacyjne przy pomocy fotonów mikrofalowych – tych samych fotonów, które znajdują się w naszych telefonach komórkowych. Do tego eksperymentu użyto kabla mikrofalowego metrowej długości. Włączając i wyłączając układ w sposób kontrolowany, badaczom udało się splątać kwantowo połączone węzły i przesłać informację między nimi nie wysyłając żadnych fotonów przez kabel. Teoretycznie, zdaniem autorów badania, to samo byłoby możliwe na o wiele większą odległość. Co więcej byłoby to rozwiązanie znacznie szybsze niż przesyłanie fotonów przez światłowód.
System ma pewne ograniczenia. Największym jest to, że pracować może tylko w bardzo niskich temperaturach, zbliżonych do zera bezwzględnego. Potencjalnie mógłby jednak działać także w temperaturze pokojowej, z użyciem atomów zamiast fotonów. Jednak prace zespołu Clelanda stawiają sobie za cel osiągnięcie jak największej kontroli nad całym systemem i dlatego przeprowadzają eksperymenty, w których próbują splątać kilka fotonów w bardziej skomplikowane stany.
Badania źródłowe:
H.-S. Chang, Y. P. Zhong, A. Bienfait, et. al.: Remote Entanglement via Adiabatic Passage Using a Tunably Dissipative Quantum Communication System
Phys. Rev. Lett. 124, 240502. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.240502
A. Bienfait, Y. P. Zhong, H.-S. Chang, et. al.: Quantum Erasure Using Entangled Surface Acoustic Phonons. Phys. Rev. X 10,021055. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021055
Opracowano na podstawie artykułu Autorstwa Emily Ayshford, pt. New techniques improve quantum communication, entangle phonons opublikowanego na stronie internetowej University of Chicago
