Teleportacja kwantowa w aktywnym światłowodzie internetowym

Jak naukowcy przesłali stany kwantowe przez te same kable, które obsługują Twój ruch internetowy

W zeszłym roku badacze dokonali czegoś, co niegdyś brzmiało jak science fiction: teleportowali stan kwantowy fotonu przez działający światłowód internetowy, który jednocześnie przesyłał szybkie dane klasyczne. Zamiast budować całkowicie nowe, dedykowane linie do eksperymentów kwantowych, zespół wykorzystał techniki znane inżynierom telekomunikacji – przydział długości fali, wąskopasmowe filtrowanie i sztuczki czasowe – aby chronić delikatne sygnały kwantowe przed szumem generowanym przez pobliski ruch internetowy. Wynik: niezawodny transfer stanu kwantowego na dystansie kilkudziesięciu kilometrów światłowodu będącego już w użyciu.

Co faktycznie oznacza tutaj „teleportacja kwantowa”

Teleportacja kwantowa nie przenosi materii ani energii. W ujęciu praktycznym przesyła ona informację definiującą stan kwantowy z jednej cząstki (lub miejsca) do drugiej, bez przemieszczania się tego stanu przez przestrzeń pośrednią w sensie klasycznym. Protokół ten wykorzystuje trzy elementy: parę splątanych cząstek współdzieloną między nadawcą a odbiorcą, wspólny pomiar (pomiar stanu Bella), który łączy nieznany stan wejściowy z połową splątanej pary, oraz klasyczną transmisję wyniku pomiaru, aby odbiorca mógł sfinalizować transfer. Ponieważ klasyczny wynik musi zostać wysłany normalnie, teleportacja nie może naruszać zasady przyczynowości ani służyć do komunikacji nadświetlnej, ale stanowi fundamentalne narzędzie dla sieci kwantowych.

Dlaczego wydawało się to „niemożliwe” – i jak zespół sobie z tym poradził

Głównym problemem technicznym był szum. Standardowe światłowody telekomunikacyjne przesyłają duże ilości mocy optycznej w tak zwanym paśmie C; to jasne światło ulega rozproszeniu i wytwarza fotony tła w całym spektrum, co może zagłuszyć pojedyncze fotony używane jako kubity. Przełom nastąpił dzięki celowemu umieszczeniu sygnałów kwantowych w innym oknie widma światłowodu (paśmie O), a następnie zastosowaniu wąskich filtrów spektralno-czasowych i detekcji koincydencji w celu odrzucenia szumu. W ramach eksperymentu przeprowadzono pomiar stanu Bella w pobliżu środka 30,2-kilometrowego łącza, które przesyłało również klasyczny kanał o przepustowości 400 Gb/s, i wykazano wierność (fidelity) teleportacji powyżej granicy klasycznej mimo dużego natężenia ruchu. Te praktyczne decyzje projektowe – inżynieria długości fali, filtry wąskopasmowe i heralding oparty na synchronizacji czasowej – sprawiły, że teleportacja w działającym światłowodzie stała się wykonalna.

Dlaczego wykorzystanie istniejącej technologii internetowej ma znaczenie

Dedykowane światłowody „kwantowe” są drogie i trudne do wdrożenia na dużą skalę. Wykazanie, że sygnały kwantowe i klasyczne mogą współistnieć w tym samym kablu, oznacza, że operatorzy sieci mogliby potencjalnie dodawać usługi kwantowe bez rozkopywania ulic czy budowania równoległych sieci. Mogłoby to przyspieszyć wdrażanie rozwiązań takich jak rozproszone czujniki kwantowe, bezpieczna dystrybucja kluczy i – docelowo – komputery kwantowe łączące się w sieci. Krótko mówiąc, ponowne wykorzystanie zainstalowanej infrastruktury światłowodowej radykalnie obniża próg wejścia dla rzeczywistego sieciowania kwantowego.

Nie jedyny postęp: chipy, długie łącza i pamięci

Wynik tej teleportacji to jeden z istotnych kamieni milowych w dynamicznie zmieniającym się krajobrazie. Inne zespoły zajmują się problemami uzupełniającymi: na przykład inżynierowie zbudowali niedawno kompaktowy krzemowy „Q-Chip”, który łączy klasyczne informacje sterujące z sygnałami kwantowymi, dzięki czemu mogą być one rutowane przy użyciu standardowych protokołów internetowych w działającej sieci operatora – to ważny krok w kierunku integracji ruchu kwantowego z istniejącymi stosami sieciowymi i narzędziami do zarządzania. Praca ta wskazuje drogę do praktycznego sterowania kanałami kwantowymi w komercyjnych światłowodach na poziomie układu scalonego.

W tym samym czasie różne grupy zwiększyły zasięg komunikacji kwantowej w rzeczywistym światłowodzie telekomunikacyjnym: w ramach zakrojonej na szeroką skalę demonstracji przesłano spójne wiadomości kwantowe na dystansie ponad 250 kilometrów istniejącego światłowodu między centrami danych, wykorzystując pracujące w temperaturze pokojowej detektory półprzewodnikowe oraz pomysłowe techniki stabilizacji fazy w celu zachowania spójności kwantowej na długich odcinkach. Eksperymenty o większym zasięgu uzupełniają prace nad teleportacją, pokazując, że rzeczywista infrastruktura może obsługiwać szereg protokołów kwantowych w skali metropolitalnej i międzymiastowej.

Wreszcie postępuje również teleportacja do i ze stacjonarnych pamięci kwantowych, które są niezbędne do budowy wzmacniaków (repeaterów) wydłużających łącza kwantowe poza granice bezpośredniej transmisji. Niedawne eksperymenty wykazały teleportację fotonowych kubitów o długości fali telekomunikacyjnej do stałofazowych zespołów jonów erbu, łącząc pamięć z fotonami kompatybilnymi ze światłowodami, co jest niezbędne dla praktycznych wzmacniaków kwantowych. Integracja takich pamięci z działającymi sieciami oraz inżynierią długości fali stosowaną w eksperymentach nad współistnieniem z telekomunikacją jest logicznym kolejnym krokiem.

Gdzie to zmienia obraz sytuacji, a gdzie nie

• W krótkim terminie: Nowe demonstracje zmniejszają barierę infrastrukturalną. W najbliższych latach należy spodziewać się pilotaży łączących kluczowe instytucje, banki czy ośrodki badawcze, które będą łączyć ruch klasyczny z kwantową dystrybucją kluczy i krótkodystansowymi łączami teleportacyjnymi.
• W dłuższym terminie: Globalny internet kwantowy wciąż będzie wymagał solidnych wzmacniaków kwantowych, standaryzacji i skalowalnych pamięci kwantowych. Teleportacja przez współdzielone światłowody nie zastępuje wzmacniaków; sugeruje raczej, że wzmacniaki mogą być wdrażane w oparciu o istniejące trasy światłowodowe.
• Wyzwania operacyjne: Prowadzenie kanałów kwantowych obok nieprzewidywalnego ruchu komercyjnego wymaga starannego zarządzania siecią: planowanie długości fal, dynamiczne filtrowanie, zasady routingu i nowe narzędzia monitorujące będą niezbędne, zanim operatorzy będą mogli uruchomić usługi kwantowe na dużą skalę.

Na co warto zwrócić uwagę w przyszłości

Badacze będą łączyć elementy tych demonstracji: sterowanie na poziomie układu scalonego obsługujące protokół IP, protokoły teleportacji odporne na szum działającej sieci, dalekosiężne spójne łącza wykorzystujące detektory półprzewodnikowe oraz pamięci kwantowe przechowujące teleportowane stany. Wszystkie te postępy wskazują na usługi kwantowe w skali metropolitalnej w bliskiej przyszłości oraz szersze sieci w miarę dojrzewania sprzętu wzmacniaków i standardów. Eksperymenty pokazują, że kluczowa bariera – potrzeba całkowicie nowych ścieżek sprzętowych – nie jest już absolutna. Zamiast tego wyzwanie ma teraz charakter inżynieryjny: przekształcenie receptur laboratoryjnych w solidne, zarządzalne usługi, które firmy telekomunikacyjne będą mogły obsługiwać równolegle z istniejącym ruchem.

Zarówno dla fizyków, jak i inżynierów sieciowych przekaz jest jasny: sieciowanie kwantowe opuszcza odizolowane stanowisko laboratoryjne i uczy się mówić językiem internetu. Ta zmiana może być najważniejszym rezultatem tych eksperymentów – pragmatyczną drogą dla rewolucji kwantowej, by mogła rozwijać się w oparciu o już istniejącą światową infrastrukturę światłowodową.