Naukowcy z Holandii zrobili duży krok w kierunku kwantowych sieci komputerowych, teleportując informacje kwantowe między dwoma węzłami, które nie miały ze sobą bezpośredniego połączenia. Kwantowa teleportacja to przełom, który jest zapowiedzią szybszego i bezpieczniejszego systemu komunikacji – kwantowego internetu.
Jak sama nazwa wskazuje, komputery kwantowe wykorzystują kilka zasad mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń, które są poza zasięgiem tradycyjnych komputerów. Podobnie jak nasz obecny internet, komputery kwantowe będą musiały być połączone ze sobą, aby w pełni wykorzystać swój potencjał. Przesyłanie informacji między nimi jest jednak trudne – kwantowa natura danych sprawia, że są one podatne na utratę lub zakłócenia z otoczenia.
Zamiast tego informacje te można zasadniczo „teleportować” między węzłami, dzięki zjawisku znanemu jako splątanie kwantowe. Dwie cząstki mogą być ze sobą tak splecione, że nie sposób opisać jednej z nich bez drugiej. Dodatkowo wszelkie zmiany wprowadzone w jednej z nich, natychmiast wpłyną na drugą, bez względu na to, jak daleko od siebie się znajdują. Jest to koncepcja, która wprawiła w zakłopotanie samego Einsteina, ale została wielokrotnie potwierdzona w eksperymentach.
Kwantowa teleportacja – jak to działa?
W kontekście kwantowej sieci komputerowej bity kwantowe (lub qubity) informacji można teleportować do węzła, wprowadzając zmiany w jego splątanym partnerze, zwykle wykonując tak zwany pomiar stanu Bella (BSM). Udowodniono to już wcześniej między dwoma sąsiednimi węzłami, ale w nowym badaniu naukowcy z QuTech byli w stanie teleportować informacje między dwoma niesąsiadującymi węzłami.
Wymaga to użycia trzeciego węzła, działającego jako pewnego rodzaju pośrednik. Dla uproszczenia, zespół nazwał trzy węzły Alice, Bob i Charlie. Każdy z nim zawiera qubit w kształcie diamentu. Aby stworzyć sieć, zespół najpierw doprowadza do stanu splątanego pomiędzy Alice i Bobem oraz między Bobem i Charliem. Następnie wykonując BSM w węźle Boba, stany węzłów Alice i Charliego również zostają splątane, nawet jeśli nie są obok siebie w sieci.
Aby teleportować informacje do Alice, Charlie zaczyna od stworzenia „wiadomości” poprzez zapisanie danych do qubitu w pamięci swojego węzła. Może to być 1 lub 0, albo nawet – co charakterystyczne dla komputerów kwantowych – stan pośredni. Następnie wykonuje BSM na tym qubicie pamięci i qubicie, który jest splątany z qubitem Alice. I tak oto, w „prosty” sposób, qubit Alice natychmiast się zmienia, odzwierciedlając wiadomość Charliego. Jeśli czujecie się zagubieni, obejrzyjcie poniższy film:
Jeśli jednak węzeł Alice chce odczytać tę wiadomość, musi ją najpierw odszyfrować, a węzeł Charlie ma do tego klucz. Wynik BSM, który Charlie wykonał na swoim qubicie, wyjaśnia, jaką operację musi wykonać Alice na swoim, aby odszyfrować teleportowaną informację. To wszystko brzmi bardzo w stylu science-fiction, ale obliczenia kwantowe to rzeczywistość, która będzie wpływać na nasze życie. Dużo piszemy o tym na naszym blogu, na przykład w tekście „Badacze IBM udowodnili, że komputer kwantowy ma przewagę nad klasycznym”.
Teleportacja kwantowa jest powtarzalna
Holenderskim naukowcom z QuTech udało się dokonać tego wyczynu podczas wielu eksperymentów, z dokładnością około 71 procent. Było to możliwe dzięki osiągnięciu kilku przełomowych rozwiązań, które zespół zastosował w celu ochrony informacji kwantowych w sieci. Po pierwsze, splątanie między Alice i Bobem musiało być przechowywane w qubicie pamięci kwantowej, podczas gdy Bob tworzył połączenie z Charliem. Inne techniki optymalizacji pozwoliły zmniejszyć szum w systemie.
Badacze twierdzą, że dzięki temu rodzajowi niebezpośredniej teleportacji kwantowej udało im się stworzyć fundamentalny element praktycznej sieci kwantowej. Ale oczywiście przed nami jeszcze długa i niełatwa droga. Kolejnym ważnym krokiem będzie zwiększenie liczby qubitów pamięci w systemie, aby zwiększyć liczbę operacji, które może on wykonywać.
Zespół planuje również zbadać, jak teleportować informacje już przechowywane w pamięci kwantowej, zamiast tworzyć wiadomość po nawiązaniu połączenia. Dzięki temu teleportacja kwantowa będzie mogła być przeprowadzana na żądanie, co ma kluczowe znaczenie, jeśli ta technologia ma być użyteczna. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Komputery kwantowe to fascynujące urządzenia, o których często piszemy na naszym blogu. Jeśli chcecie wiedzieć w jaki sposób już niedługo powinny zmienić nasze życie, zachęcamy do lektury naszego tekstu „Jak obliczenia kwantowe mogą zmienić świat?”.