Przez
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. Źródło: SciTechDaily.com
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 Uniwersytet 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 korzyści, 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. Źródło: Grupa Jiang
Innowacyjna komunikacja kwantowa
Teraz 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” – powiedział Liang Jiang, profesor inżynierii molekularnej i starszy autor nowej pracy. „Można go używać nie tylko do bezpiecznej komunikacji, ale także do budowania rozproszonego obliczenia kwantowe sieci, rozproszone technologie wykrywania kwantowego, nowe rodzaje teleskopów i zsynchronizowane zegary”.
Jiang współpracował z naukowcami z Uniwersytetu Stanforda i Kalifornijskiego Instytutu Technologii nad nową pracą, która została opublikowana 9 lipca w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
Szkoła Inżynierii Molekularnej im. Pritzkera na Uniwersytecie w Chicago, profesor Liang Jiang, dokonuje przeglądu proponowanej sieci kwantowej wykorzystującej prowadnice wiązek próżniowych, które miałyby zasięg tysięcy kilometrów i przepustowość 10 bilionów kubitów na sekundę, czyli lepiej niż jakiekolwiek istniejące podejście do komunikacji kwantowej. Źródło: Szkoła Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzkera / John Zich
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” – wyjaśnił Jiang. „Możesz klasycznie wysłać fragment danych, komputer kwantowy może go przetworzyć, ale wynik zostanie następnie ponownie odesłany w sposób klasyczny”.
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 pochłaniania fotonów. Fotony odbijane do satelitów i z powrotem na ziemię w nowym miejscu są mniej absorbowane ze względu na próżnię kosmiczną, ale ich transmisja jest ograniczona przez absorpcję atmosfery i dostępność satelitów.
„Chcieliśmy połączyć zalety każdego z poprzednich podejść” – powiedział student PME Yuexun Huang, pierwszy autor nowej pracy. „W próżni można przesłać wiele informacji bez tłumienia. Idealną sytuacją byłaby jednak możliwość zrobienia tego na ziemi”.
„Wierzymy, że tego rodzaju sieć jest wykonalna i ma duży potencjał”.
— Prof. Liang Jiang
Naziemne lampy próżniowe i informacje kwantowe
Naukowcy pracujący w Laserowym Interferometrycznym Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) w Kalifornijskim Instytucie Technologii (Caltech) zbudowali ogromne naziemne lampy próżniowe, w których znajdują się poruszające się fotony światła, które mogą wykrywać fale grawitacyjne. Eksperymenty godz LIGO wykazali, że w próżni prawie wolnej od 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 jako foton porusza się w próżni, trochę 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 jest to, że mamy duże sieci kwantowe, które mogą przesyłać dziesiątki terabajtów danych na sekundę”.
Odniesienie: „Przewodnik po wiązkach próżniowych dla wielkoskalowych sieci kwantowych” autorstwa Yuexuna Huanga, Francisco Salces – Carcoba, Rana X. Adhikari, Amir H. Safavi-Naeini i Liang Jiang, 9 lipca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801
Finansowanie: Prace te były wspierane przez Laboratorium Badawcze Armii, Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych, Narodową Fundację Naukową, NTT Research, Fundację Packard, Program Badawczy Rodziny Marshalla i Arlene Bennett oraz Departament Energii Stanów Zjednoczonych.
