Μια ερευνητική ομάδα του University of Stuttgart ανακοίνωσε μια από τις πιο εντυπωσιακές εξελίξεις στην κβαντική φυσική των τελευταίων ετών: την πρώτη παγκοσμίως τηλεμεταφορά κβαντικής πληροφορίας ανάμεσα σε φωτόνια που δεν προέρχονται από την ίδια πηγή. Το επίτευγμα αυτό, καρπός ενός σύνθετου πειράματος με δύο ξεχωριστά quantum dots, φέρνει το όραμα ενός λειτουργικού κβαντικού Internet ένα σημαντικό βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Στον κόσμο των κλασικών επικοινωνιών, η μεταφορά δεδομένων βασίζεται στην ενίσχυση των σημάτων που ταξιδεύουν μέσω οπτικών ινών. Οι ενισχυτές αυτοί λειτουργούν τέλεια για το φως που μεταφέρει απλές πληροφορίες, αλλά όταν μιλάμε για κβαντικά δεδομένα, η υπόθεση είναι πολύ πιο ευαίσθητη. Το παραμικρό λάθος μπορεί να καταστρέψει την κβαντική κατάσταση, η οποία αποτελεί την «καρδιά» της πληροφορίας. Κι εδώ ακριβώς μπαίνουν στο παιχνίδι τα quantum dots.
Πρόκειται για ειδικά κατασκευασμένους ημιαγωγούς που μπορούν να παράγουν φωτόνια με σχεδόν απόλυτη ομοιομορφία. Αυτό δεν είναι καθόλου εύκολο: δύο φωτόνια δεν πρέπει μόνο να έχουν την ίδια ενέργεια, αλλά να είναι πρακτικά αδιαχώριστα μεταξύ τους ως προς οποιαδήποτε μετρήσιμη ιδιότητα. Αυτή η «τέλεια ομοιότητα» αποτελεί προϋπόθεση για να επιτευχθεί η κβαντική τηλεμεταφορά, δηλαδή η μεταφορά μιας κβαντικής κατάστασης από ένα φωτόνιο σε ένα άλλο.
Ο επικεφαλής φυσικός Peter Michler εξηγεί ότι για πρώτη φορά ήταν δυνατό να μεταφερθεί κβαντική πληροφορία μεταξύ φωτονίων που προήλθαν από δύο διαφορετικά quantum dots, κάτι που μέχρι σήμερα φαινόταν σχεδόν ανέφικτο. Η καινοτομία δεν βρίσκεται μόνο στο ότι τα φωτόνια είχαν παραχθεί ξεχωριστά, αλλά και στο ότι το πείραμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας έναν απολύτως συμβατικό πυρήνα οπτικής ίνας, όπως αυτοί που βρίσκονται ήδη σε δίκτυα ευρυζωνικού internet.
Το πείραμα βασίστηκε σε μια διάταξη όπου δύο σταθμοί, QD1 και QD2, παρήγαγαν τα φωτόνια που ενεπλάκησαν στην τηλεμεταφορά. Ένα κρίσιμο στάδιο της διαδικασίας ήταν η μέτρηση Bell, μια τεχνική που επιτρέπει στους φυσικούς να «συγχρονίζουν» τις κβαντικές καταστάσεις δύο σωματιδίων χωρίς τα ίδια να έρχονται ποτέ σε επαφή. Στην πραγματικότητα, τίποτα δεν εξαϋλώνεται και επανεμφανίζεται αλλού – αυτό που μεταφέρεται είναι η πληροφορία για την κβαντική κατάσταση, όχι το ίδιο το φωτόνιο.
Αυτό το είδος τηλεμεταφοράς είναι θεμελιώδες για τον σχεδιασμό ενός δικτύου κβαντικής επικοινωνίας. Σε αντίθεση με την κλασική ενίσχυση που χρησιμοποιούμε σήμερα, ένα quantum repeater πρέπει να μπορεί να αναμεταδώσει κβαντική πληροφορία χωρίς να τη διαταράσσει. Για να γίνει αυτό σε αποστάσεις χιλιομέτρων, κάθε ενδιάμεσος σταθμός πρέπει να βασίζεται σε πηγές φωτονίων τόσο σταθερές και ομογενείς όσο τα quantum dots.
Το πιο ενθαρρυντικό μέρος της έρευνας είναι ότι το σύστημα λειτούργησε σε μια τυπική ίνα μήκους περίπου 10 μέτρων. Αν και η απόσταση αυτή είναι μικρή σε σχέση με τις ανάγκες ενός πραγματικού δικτύου, υποδηλώνει ότι η υπάρχουσα υποδομή μπορεί να αξιοποιηθεί αντί να απαιτούνται εξ ολοκλήρου νέα δίκτυα. Αυτό μειώνει το κόστος, απλοποιεί την ανάπτυξη και επιταχύνει το χρονοδιάγραμμα για ένα μελλοντικό κβαντικό internet.
Παρότι η τηλεμεταφορά πέτυχε, η διαδικασία δεν είναι ακόμη ιδανική. Το ποσοστό επιτυχίας κυμαίνεται λίγο πάνω από το 70%, ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα για πείραμα με διαφορετικές πηγές φωτονίων, αλλά όχι αρκετό για εμπορική εφαρμογή. Η ομάδα του University of Stuttgart εργάζεται ήδη στη βελτιστοποίηση της τεχνολογίας, προσπαθώντας να αυξήσει το ποσοστό αυτό και να επεκτείνει την απόσταση λειτουργίας.
Η ερευνητική ομάδα αναγνωρίζει ότι υπάρχουν ακόμη πολλές προκλήσεις, από το πώς θα συνδεθούν εκατοντάδες ή χιλιάδες quantum dots σε ένα ευρύ δίκτυο, μέχρι το πώς θα εξαλειφθούν μικροσκοπικές παρεμβολές που μπορούν να χαλάσουν την κβαντική σύζευξη. Παρ’ όλα αυτά, τα αποτελέσματα δείχνουν ξεκάθαρα ότι η τεχνολογία των quantum dots έχει πλέον φτάσει σε βαθμό ωριμότητας που τη φέρνει στο κατώφλι των πρακτικών εφαρμογών.
Το κβαντικό internet θεωρείται η επόμενη μεγάλη επανάσταση στις τηλεπικοινωνίες. Θα επιτρέψει κρυπτογράφηση πρακτικά αδύνατο να παραβιαστεί, άμεση επικοινωνία κέντρων δεδομένων και νέους τρόπους υπολογισμού που ξεφεύγουν από τα σημερινά όρια. Το τι ποσοστό του θα βασίζεται σε υπάρχουσες υποδομές παραμένει άγνωστο, αλλά κάθε πειραματικό βήμα κάνει την εικόνα πιο καθαρή.
