Ερευνητές πέτυχαν την πρώτη κβαντική τηλεμεταφορά μεταξύ φωτονίων – Βήμα προς το κβαντικό διαδίκτυο

Η ασφάλεια της ψηφιακής ζωής παραμένει εύθραυστη, καθώς οι κυβερνοεπιθέσεις γίνονται ολοένα πιο σύνθετες χάρη στην τεχνητή νοημοσύνη.

Η κβαντική κρυπτογραφία προβάλλει ως μια πιθανή απάντηση στο παραπάνω πρόβλημα: αξιοποιεί θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής φυσικής για τη μετάδοση πληροφοριών με τρόπο που καθιστά σχεδόν αδύνατη την υποκλοπή χωρίς να εντοπιστεί ο δράστης. Ωστόσο, η ανάπτυξη της τεχνολογίας που απαιτείται για ένα λειτουργικό κβαντικό διαδίκτυο εξακολουθεί να προσκρούει σε σημαντικά επιστημονικά εμπόδια, αναφέρει το SciTechDaily.

Μια ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Ημιαγωγικής Οπτικής και Λειτουργικών Διεπαφών (IHFG) στο Πανεπιστήμιο της Στουτγκάρδης ανακοίνωσε τώρα μια από τις πιο εντυπωσιακές προόδους στον τομέα: τον κβαντικό επαναλήπτη. Τα ευρήματά της δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Communications.

«Για πρώτη φορά παγκοσμίως, καταφέραμε να μεταφέρουμε κβαντικές πληροφορίες μεταξύ φωτονίων που προέρχονται από δύο διαφορετικές κβαντικές κουκκίδες», λέει ο καθηγητής Peter Michler, επικεφαλής της ομάδας.

Στην κλασική ψηφιακή επικοινωνία, τα δεδομένα ταξιδεύουν ως ακολουθίες από 0 και 1. Η κβαντική επικοινωνία λειτουργεί με την ίδια αρχή, αλλά οι πληροφορίες μεταφέρονται από μεμονωμένα φωτόνια, και το 0 ή το 1 κωδικοποιούνται στην πόλωση των φωτονίων. Οποιαδήποτε προσπάθεια «πειράματος» αυτών των φωτονίων τα διαταράσσει, αφήνοντας ορατά ίχνη υποκλοπής. Το χαρακτηριστικό αυτό καθιστά την κβαντική κρυπτογραφία εξαιρετικά ασφαλή.

Τι είναι η κβαντική τηλεμεταφορά

Ωστόσο, ένα κβαντικό διαδίκτυο δεν μπορεί να βασιστεί σε οπτικές ίνες όπως τα ψηφιακά δίκτυα. Τα φωτόνια εξασθενούν με την απόσταση και τα σήματα χρειάζεται να ανανεώνονται περίπου κάθε 50 χιλιόμετρα με έναν οπτικό ενισχυτή. Αυτή η προσέγγιση όμως δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην κβαντική επικοινωνία, καθώς οι κβαντικές καταστάσεις δεν μπορούν να αντιγραφούν ή να ενισχυθούν. Αντ’ αυτού, η κβαντική φυσική προτείνει μια διαφορετική λύση: τη μεταφορά της πληροφορίας από ένα φωτόνιο σε άλλο χωρίς άμεση αποκάλυψή της, μια διαδικασία γνωστή ως κβαντική τηλεμεταφορά.

Τι είναι οι κβαντικοί επαναλήπτες

Για να πετύχουν την κβαντική τηλεμεταφορά, οι φυσικοί αναπτύσσουν κβαντικούς επαναλήπτες που ανανεώνουν τις κβαντικές πληροφορίες πριν απορροφηθούν στην οπτική ίνα. Αυτοί θα χρησιμεύσουν ως κόμβοι για το κβαντικό διαδίκτυο. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικά τεχνικά εμπόδια.

Για να λειτουργήσει η τηλεμεταφορά, τα φωτόνια πρέπει να είναι σχεδόν όμοια (δηλαδή να έχουν περίπου το ίδιο χρονικό προφίλ και χρώμα). Αυτό είναι εξαιρετικά δύσκολο, επειδή παράγονται σε διαφορετικά σημεία, από διαφορετικές πηγές.

Η ομάδα του IHFG ανέπτυξε προηγμένες πηγές φωτονίων βασισμένες σε κβαντικές κουκκίδες –νανομετρικές ημιαγωγικές «νησίδες» με συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα. Οι κουκκίδες αυτές, που δημιουργήθηκαν σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Leibniz για την Έρευνα Στερεάς Κατάστασης και Υλικών στη Δρέσδη, παράγουν φωτόνια τόσο όμοια ώστε καθίστανται κατάλληλα για πειράματα τηλεμεταφοράς.

Η τηλεμεταφορά στην πράξη

Στο πείραμα, η πρώτη κβαντική κουκκίδα παρήγαγε ένα μοναδικό φωτόνιο, ενώ η δεύτερη παρήγαγε ένα ζεύγος διαπλεγμένων φωτονίων. «Διαπλεγμένα» σημαίνει ότι τα δύο σωματίδια αποτελούν μια ενιαία κβαντική οντότητα, ακόμη και όταν είναι φυσικά διαχωρισμένα. Ένα από τα διαπλεγμένα φωτόνια στάλθηκε προς την πρώτη κουκκίδα και υπερκάλυψε το φωτόνιό της. Από την υπερκάλυψη αυτή, η πληροφορία του πρώτου φωτονίου μεταφέρθηκε στο άλλο μέλος του διαπλεγμένου ζεύγους, που βρισκόταν στη δεύτερη κουκκίδα.

Βασικό στοιχείο για την επιτυχία ήταν οι κβαντικοί μετατροπείς συχνότητας, που εξουδετέρωσαν μικρές διαφοροποιήσεις στην ενέργεια των φωτονίων. Οι μετατροπείς αυτοί αναπτύχθηκαν από ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Σάαρλαντ.

Βήματα προς πρακτικές εφαρμογές

Το επίτευγμα αυτό αποτελεί, σύμφωνα με τους ερευνητές, καθοριστικό βήμα για τη γεφύρωση μεγαλύτερων αποστάσεων. Στο πείραμα της Στουτγκάρδης, οι κβαντικές κουκκίδες χωρίζονταν από μια οπτική ίνα περίπου 10 μέτρων και η ομάδα εργάζεται ήδη για να επεκτείνει αυτή την απόσταση. Σε προηγούμενη μελέτη της, η ομάδα είχε δείξει ότι τα διαπλεγμένα φωτόνια διατηρούν την κατάσταση τους ακόμη και μετά από 36 χιλιόμετρα μεταφοράς μέσα από το κέντρο της πόλης.

Ένας άλλος στόχος είναι η αύξηση του ποσοστού επιτυχίας της τηλεμεταφοράς, το οποίο σήμερα είναι λίγο πάνω από 70%. Οι διακυμάνσεις στις κβαντικές κουκκίδες εξακολουθούν να επηρεάζουν την ομοιομορφία των φωτονίων, και η ομάδα φιλοδοξεί να βελτιώσει τις τεχνικές κατασκευής ώστε να μειωθούν οι αποκλίσεις. «Είναι συναρπαστικό να βλέπεις πώς πειράματα που εστιάζονται στη βασική έρευνα κάνουν τα πρώτα τους βήματα προς πρακτικές εφαρμογές», σημειώνουν.