Naukowcy opracowali nową metodę budowy sieci kwantowej obejmującej cały kraj przy użyciu prowadnic wiązek próżniowych, w których kubity mogą przemieszczać się tysiące kilometrów w małych, uszczelnionych próżniowo rurkach.
Nowe podejście do sieci kwantowych polega na zastosowaniu uszczelnionych próżniowo rurek z rozmieszczonymi w odstępach soczewkami do przesyłania danych kwantowych za pośrednictwem fotonów na duże odległości. Metoda ta, opracowana przez naukowców z Uniwersytetu w Chicago i współpracowników, ma na celu umożliwienie bezpiecznej komunikacji kwantowej o dużej przepustowości na duże odległości.
Komputery kwantowe oferują potężne sposoby m.in. poprawy cyberbezpieczeństwa, komunikacji i przetwarzania danych. Aby jednak w pełni wykorzystać te właściwości, należy połączyć wiele komputerów kwantowych w celu zbudowania sieci kwantowych lub internetu kwantowego. Naukowcy mieli trudności ze znalezieniem praktycznych metod budowania takich sieci, które muszą przesyłać informacje kwantowe na duże odległości.
Aby urzeczywistnić sieć kwantową, naukowcy z Jiang Group w Szkole Inżynierii Molekularnej Pritzkera na Uniwersytecie w Chicago zaproponowali budowę długich kanałów kwantowych przy użyciu uszczelnionych próżniowo rurek z szeregiem rozmieszczonych w odstępach soczewek.
Innowacyjna komunikacja kwantowa
Naukowcy z Pritzker School of Molecular Engineering (PME) Uniwersytetu w Chicago zaproponowali nowe podejście — budowanie długich kanałów kwantowych przy użyciu zamkniętych próżniowo rurek z szeregiem rozmieszczonych w odstępach soczewek. Te prowadnice wiązki próżniowej, o średnicy około 20 centymetrów, miałyby zasięg tysięcy kilometrów i przepustowość 10 bilionów kubitów na sekundę, czyli lepiej niż jakiekolwiek istniejące podejście do komunikacji kwantowej. Fotony światła kodującego dane kwantowe przemieszczałyby się przez lampy próżniowe i pozostawały skupione dzięki soczewkom.
Wierzymy, że tego rodzaju sieć jest wykonalna i ma duży potencjał. Można ją wykorzystać nie tylko do bezpiecznej komunikacji, ale także do budowy rozproszonych sieci obliczeń kwantowych, technologii rozproszonych czujników kwantowych, nowych rodzajów teleskopów i zsynchronizowanych zegarów.
– powiedział Liang Jiang, profesor inżynierii molekularnej i współautor projektu
Jiang współpracował z naukowcami z Uniwersytetu Stanforda i Kalifornijskiego Instytutu Technologii nad nową pracą, która została opublikowana 9 lipca 2024 roku w czasopiśmie Physical Review Letters.
Właściwości kwantowe i transmisja danych
Podczas gdy klasyczne komputery kodują dane w konwencjonalnych bitach – reprezentowanych jako 0 lub 1 – komputery kwantowe opierają się na kubitach, które mogą wykazywać zjawiska kwantowe. Do zjawisk tych zalicza się superpozycję – rodzaj niejednoznacznej kombinacji stanów – oraz splątanie, które pozwala na korelację dwóch cząstek kwantowych nawet na duże odległości.
Dzięki tym właściwościom komputery kwantowe mogą analizować nowe typy danych oraz przechowywać i przekazywać informacje w nowy, bezpieczny sposób. Połączenie wielu komputerów kwantowych może zapewnić im jeszcze większą moc, ponieważ można połączyć ich możliwości przetwarzania danych. Jednak sieci zwykle używane do łączenia komputerów nie są idealne, ponieważ nie są w stanie utrzymać właściwości kwantowych kubitów.
Nie można przesłać stanu kwantowego przez klasyczną sieć. Możesz klasycznie wysłać fragment danych, komputer kwantowy może go przetworzyć, ale wynik zostanie następnie ponownie odesłany w sposób klasyczny. Wierzymy, że tego rodzaju sieć jest wykonalna i ma duży potencjał.
– wyjaśnił Jiang
Niektórzy badacze testowali sposoby wykorzystania kabli światłowodowych i satelitów do przesyłania fotonów optycznych, które mogą działać jak kubity. Fotony mogą przemieszczać się na niewielkie odległości za pomocą istniejących kabli światłowodowych, ale zazwyczaj szybko tracą informacje w miarę absorpcji fotonów. Fotony odbijane do satelitów i z powrotem do ziemi w nowym miejscu są mniej absorbowane ze względu na próżnię kosmiczną, ale ich transmisja jest ograniczona przez absorpcję w atmosferze i dostępność satelitów.
„Chcieliśmy połączyć zalety każdego z poprzednich podejść” – powiedział student PME Yuexun Huang, współautor nowej pracy. „W próżni można przesłać wiele informacji bez tłumienia. Idealną sytuacją byłaby jednak możliwość zrobienia tego na ziemi”.
Naziemne lampy próżniowe i informacje kwantowe
Naukowcy pracujący w Laserowym Interferometrycznym Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO ang. Laser Interferometer Gravitational Wave Observator) w Kalifornijskim Instytucie Technicznym (Caltech, ang. California Institute of Technology) zbudowali ogromne naziemne lampy próżniowe zawierające poruszające się fotony światła, które mogą wykrywać fale grawitacyjne. Eksperymenty w LIGO wykazały, że w próżni prawie pozbawionej cząsteczek fotony mogą podróżować przez tysiące kilometrów.
Zainspirowani tą technologią Jiang, Huang i ich współpracownicy zaczęli szkicować, w jaki sposób można wykorzystać mniejsze lampy próżniowe do transportu fotonów między komputerami kwantowymi. W swojej nowej pracy teoretycznej wykazali, że lampy te, jeśli zostaną odpowiednio zaprojektowane i rozmieszczone, mogą przenosić fotony po całym kraju. Co więcej, potrzebowaliby jedynie średniej próżni (ciśnienie 10⁻⁴ atmosfer), która jest znacznie łatwiejsza do utrzymania niż ultrawysoka próżnia (ciśnienie 10⁻¹¹ atmosfer) wymagana w LIGO.
„Głównym wyzwaniem jest to, że foton przemieszczający się w próżni nieco się rozprzestrzenia” – wyjaśnił Jiang. „Aby temu zaradzić, proponujemy umieszczanie co kilka kilometrów soczewek, które mogą skupiać wiązkę na dużych dystansach bez utraty dyfrakcji”.
We współpracy z naukowcami z Caltech grupa planuje eksperymenty stołowe, aby sprawdzić praktyczność pomysłu, a następnie planuje użyć większych lamp próżniowych, takich jak te w LIGO, do pracy nad ustawieniem soczewek i stabilizacją wiązek fotonów na dużych odległościach.
„Wdrożenie tej technologii na większą skalę wiąże się z pewnymi wyzwaniami w zakresie inżynierii lądowej, które również musimy rozwiązać” – powiedział Jiang. „Ale ostateczną korzyścią byłoby to, że mielibyśmy duże sieci kwantowe, które mogą przesyłać dziesiątki terabajtów danych na sekundę”.
Odniesienie: Vacuum Beam Guide for Large Scale Quantum Networks (pol. Przewodnik po wiązkach próżniowych dla wielkoskalowych sieci kwantowych): Yuexun Huang, Francisco Salces – Carcoba, Rana X. Adhikari, Amir H. Safavi-Naeini i Liang Jiang, 9 lipca 2024 r., Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Physical Review Letters | SciTech Daily