USTC osiąga przełom w technologii repeaterów kwantowych (2026)

Na początku 2026 roku naukowcy z University of Science and Technology of China (USTC) dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie informatyki kwantowej i komunikacji, demonstrując skalowalny element konstrukcyjny dla wzmacniaków kwantowych. To osiągnięcie, opublikowane w czasopiśmie Nature, wykorzystało długożyciowe kwantowe pamięci oparte na pułapkowanych jonach oraz wydajne interfejsy telekomunikacyjne do ustanowienia splątania na dystansie 10 kilometrów światłowodu. Przezwyciężając szybką dekoherencję zdalnych stanów kwantowych, zespół kierowany przez Hao Li, Yi Yang i Ye Wang dostarczył pierwszy praktyczny dowód na to, że sieci kwantowe w skali metropolitalnej są wykonalne pod względem fizycznym i technologicznym.

Wizja globalnego Internetu kwantowego opiera się na płynnej integracji komunikacji kwantowej, metrologii kwantowej oraz rozproszonych obliczeń kwantowych. Taka sieć zapowiada zmianę paradygmatu w sposobie przetwarzania i zabezpieczania informacji, oferując sensing o wysokiej rozdzielczości oraz wykładnicze przyspieszenie zadań obliczeniowych. Jednak fizyczny fundament tej sieci wymaga deterministycznej dystrybucji splątania — zjawiska, w którym cząstki pozostają połączone bez względu na odległość — na rozległych obszarach geograficznych. Do niedawna infrastruktura potrzebna do utrzymania tych delikatnych połączeń na dużych dystansach pozostawała najistotniejszym „brakującym ogniwem” branży.

How do quantum repeaters solve photon loss in fiber optics?

Wzmacniaki kwantowe niwelują straty fotonów w światłowodach, dzieląc długie łącza komunikacyjne na krótsze odcinki i wykorzystując wymianę splątania do ich łączenia bez bezpośredniego wzmacniania sygnału. Dzięki zastosowaniu pamięci kwantowych do przechowywania informacji podczas oczekiwania na potwierdzenie pomyślnego połączenia, wzmacniaki te zapobiegają dekoherencji, która zazwyczaj występuje podczas transmisji na duże odległości. Metoda ta skutecznie omija twierdzenie o zakazie klonowania, które uniemożliwia wzmacnianie stanów kwantowych w taki sam sposób, w jaki wzmacniane są sygnały klasyczne.

W tradycyjnej telekomunikacji światłowodowej straty sygnału są niwelowane za pomocą wzmacniaczy, które zwiększają natężenie światła. Jednak w dziedzinie informatyki kwantowej i komunikacji nie można stosować standardowych wzmacniaczy, ponieważ każda próba skopiowania lub wzmocnienia stanu kwantowego niszczy pierwotną informację. Ta wykładnicza utrata fotonów w włóknach szklanych historycznie ograniczała światłowodową komunikację kwantową do stosunkowo krótkich zasięgów. Wzmacniaki kwantowe rozwiązują ten problem poprzez generowanie splątania w lokalnych segmentach, a następnie „wymianę” tego splątania z następnym segmentem, tworząc ciągłe łącze, które może obejmować setki, a nawet tysiące kilometrów bez konieczności klonowania sygnału.

What recent breakthroughs occurred in quantum repeaters in 2026?

Główny przełom z 2026 roku dotyczył opracowania długożyciowych pamięci opartych na pułapkowanych jonach oraz protokołu splątania pojedynczych fotonów o wysokiej widzialności w celu ustanowienia splątania pamięć-pamięć na dystansie 10 km. Badania te, których autorami są Hao Li i współpracownicy, pozwoliły osiągnąć czasy życia splątania przekraczające czas wymagany do jego ustanowienia, rozwiązując krytyczne wąskie gardło w postaci szybkiej dekoherencji w zdalnych pamięciach kwantowych. Oznacza to przejście od teoretycznych projektów laboratoryjnych do funkcjonalnego sprzętu zdolnego do obsługi sieci informatyki kwantowej w skali metropolitalnej.

Metodologia zastosowana przez zespół USTC obejmowała kilka kluczowych innowacji technologicznych. Po pierwsze, wykorzystali oni technologię pułapkowanych jonów, która oferuje znacznie dłuższe czasy koherencji w porównaniu z innymi systemami półprzewodnikowymi. Po drugie, opracowali wydajny interfejs telekomunikacyjny, który konwertuje wewnętrzne stany kwantowe jonów na fotony kompatybilne z istniejącą infrastrukturą światłowodową. Pozwoliło to naukowcom utrzymać splątanie pamięć-pamięć na 10-kilometrowym łączu światłowodowym w średnim czasie potrzebnym na ustanowienie tego splątania. Ta synchronizacja jest niezbędnym warunkiem wstępnym dla skalowania sieci, ponieważ gwarantuje, że informacja kwantowa nie zniknie, zanim kolejny element w łańcuchu będzie gotowy.

How will quantum repeaters enable device-independent QKD?

Wzmacniaki kwantowe umożliwiają niezależną od urządzeń kwantową dystrybucję klucza (DI-QKD) poprzez rozszerzenie dystrybucji splątania o wysokiej wierności na odległości niemożliwe do pokonania przez bezpośrednie łącza światłowodowe. Potwierdzając dodatni wskaźnik tajnego klucza na dystansie 101 kilometrów w granicy asymptotycznej, zespół USTC wykazał, że wzmacniaki kwantowe mogą ułatwić komunikację „nie do zhakowania”. Zapewnia to, że bezpieczeństwo komunikacji jest gwarantowane przez prawa fizyki, niezależnie od wewnętrznych niedoskonałości sprzętu.

Praktyczna demonstracja DI-QKD w skali metropolitalnej jest prawdopodobnie najważniejszym bezpośrednim zastosowaniem tych badań. Zespół z powodzeniem wyodrębnił 1 917 tajnych kluczy z około 405 000 par Bella na dystansie 10 km. Wcześniej DI-QKD było silnie ograniczone przez odległość; te nowe badania zwiększają osiągalny zasięg o ponad dwa rzędy wielkości. Dla bezpieczeństwa danych rządowych, finansowych i osobistych reprezentuje to zwrot ku przyszłości, w której kryptografia kwantowa chroni dane nawet przed najbardziej wyrafinowanymi klasycznymi lub kwantowymi próbami hakerskimi.

Konsekwencje dla dziedziny informatyki kwantowej są ogromne, ponieważ wzmacniaki te służą jako fundamentalne „elementy budulcowe” skalowalnej architektury. Udowadniając, że splątanie może zostać ustanowione i utrzymane wystarczająco długo, aby umożliwić puryfikację i wymianę, Hao Li i jego koledzy dostarczyli schemat dla sieci wielowęzłowych. Zdolność do osiągnięcia dodatniego wskaźnika klucza na dystansie 101 km sugeruje, że zbliżamy się do punktu, w którym węzły kwantowe będą mogły być rozmieszczane w odstępach podobnych do obecnych klasycznych centrów internetowych, co pozwoli na powstanie hybrydowej infrastruktury przenoszącej świat z komunikacji klasycznej na bezpieczną komunikację kwantową.

Patrząc w przyszłość, badania nad informatyką kwantową skupią się na integracji tych modułów wzmacniakowych z istniejącymi komercyjnymi sieciami światłowodowymi. Kolejne kroki dla zespołu USTC i szerszej społeczności naukowej obejmują optymalizację procesu puryfikacji splątania w celu dalszego zwiększenia wskaźnika tajnego klucza oraz rozszerzenie sieci o wiele węzłów w konfiguracji kratowej (mesh). W miarę jak systemy te będą ewoluować z 10 km do 100 km i ostatecznie do skali globalnej, marzenie o bezpiecznym, połączonym Internecie kwantowym przechodzi ze sfery fizyki teoretycznej do rzeczywistości globalnej telekomunikacji.

• Podstawowe badanie: Element konstrukcyjny wzmacniaków kwantowych dla skalowalnych sieci kwantowych.
• Główni autorzy: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
• Kluczowy kamień milowy: Splątanie światłowodowe na dystansie 10 km z asymptotycznym potencjałem 101 km.
• Technologia: Kwantowe pamięci oparte na pułapkowanych jonach i konwersja interfejsu telekomunikacyjnego.
• Zastosowanie w bezpieczeństwie: Przełom w niezależnej od urządzeń kwantowej dystrybucji klucza (DI-QKD).