Teleportowali informacje za pomocą światła. Pierwszy raz w historii
Żyjemy w czasach, w których twoje hasło do banku jest bezpieczne tylko do momentu, aż ktoś z odpowiednio mocnym komputerem i wsparciem sztucznej inteligencji nie postanowi go złamać. Cyberprzestępcy są coraz sprytniejsi, ale fizyka właśnie wytoczyła przeciwko nim działo ciężkiego kalibru.
Każdego dnia logujesz się do sieci, wysyłasz wiadomości na WhatsAppie czy sprawdzasz stan konta. Czujesz się bezpiecznie, bo widzisz ikonkę kłódki przy adresie strony. Prawda jest jednak brutalna: nasze obecne metody szyfrowania to wyścig zbrojeń, w którym to przestępcy zaczynają zyskiwać przewagę, zwłaszcza gdy do gry wchodzi sztuczna inteligencja. AI potrafi analizować luki w zabezpieczeniach szybciej niż jakikolwiek człowiek.
Odpowiedzią na to zagrożenie ma być internet kwantowy, sieć tak bezpieczna, że każda próba podsłuchu kończy się natychmiastowym zniszczeniem przesyłanej wiadomości.
Budowa kwantowego internetu to nie jest jednak kwestia pociągnięcia nowych kabli. To walka z fundamentalnymi prawami fizyki. Jednym z największych wyzwań inżynieryjnych jest stworzenie tzw. repeatera kwantowego (wzmacniaka sygnału), który pozwoliłby przesyłać te ultra-delikatne dane na duże odległości bez ich utraty.
Zespół z Instytutu Optyki Półprzewodników i Interfejsów Funkcjonalnych (IHFG) Uniwersytetu w Stuttgarcie poczynił właśnie znaczne postępy na drodze do stworzenia takiego repeatera kwantowego. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
Niemiecki przełom w świecie kwantów
Po raz pierwszy na świecie udało nam się przesłać informację kwantową między fotonami pochodzącymi z dwóch różnych kropek kwantowych – mówi prof. Peter Michler, kierownik IHFG i zastępca rzecznika projektu badawczego Quantenrepeater.Net (QR.N).
Aby zrozumieć, dlaczego to takie ważne, warto przyjrzeć się, jak działa komunikacja. Niezależnie od tego, czy ktoś wysyła wiadomość na Messegnerze, czy przesyła strumieniowo wideo, dane zawsze opierają się na zerach i jedynkach.
Komunikacja kwantowa opiera się na podobnej idei, ale nośnikami informacji są pojedyncze fotony. Zero lub jedynka są kodowane poprzez kierunek polaryzacji fotonu (tj. ich orientację w kierunku poziomym i pionowym lub superpozycję obu stanów).
Ponieważ fotony zachowują się zgodnie z mechaniką kwantową, ich polaryzacji nie można zmierzyć bez pozostawienia wykrywalnych śladów. Każda próba przechwycenia wiadomości zostałaby ujawniona.
Tak działa kwantowy internet
Kolejnym istotnym problemem jest kompatybilność z dzisiejszą infrastrukturą internetową. Przystępny cenowo internet kwantowy opierałby się na tych samych światłowodach, co obecnie. Jednak światło przemieszczające się przez światłowód może być przesyłane tylko na ograniczone odległości.
Konwencjonalne sygnały są odświeżane co około 50 km za pomocą wzmacniacza optycznego. Informacji kwantowej nie da się wzmocnić ani skopiować, co oznacza, że to rozwiązanie nie będzie działać. Zamiast tego fizyka kwantowa umożliwia przesyłanie informacji z jednego fotonu do drugiego. Zjawisko to nazywa się teleportacją kwantową.
Aby wykorzystać potencjał teleportacji kwantowej, naukowcy projektują kwantowe repeatery, które mogą odnawiać informacje kwantowe, zanim znikną w światłowodzie. Te repeatery pełniłyby funkcję niezbędnych węzłów w kwantowym internecie. Ich stworzenie było trudne. Teleportacja wymaga, aby fotony miały niemal identyczne właściwości, takie jak synchronizacja i kolor.
Już wytworzenie takich fotonów jest wyzwaniem, ponieważ pochodzą one z różnych źródeł. Jednak w ramach projektu QR.N zespół opracował półprzewodnikowe źródła światła, które emitują fotony ściśle do siebie dopasowane. Umożliwia to generowanie niemal identycznych fotonów w dwóch różnych miejscach.
Więcej na Spider's Web:
- Tak wygląda foton. Ten kształt widzimy pierwszy raz w historii naszej cywilizacji
- Czy drzewo upadające w lesie wydaje dźwięk, jeżeli nikt go nie słyszy?
- Naukowcy odwrócili bieg czasu. Ale nie tak jak myślisz
- Naukowcy przepuścili światło lasera przez szczeliny w czasie. „To było coś, czego nie mogliśmy wyjaśnić”
Teleportacja informacji
Na Uniwersytecie w Stuttgarcie badaczom udało się z powodzeniem teleportować stan polaryzacji fotonu z jednej kropki kwantowej do fotonu generowanego przez drugą kropkę kwantową. Jedna kropka emituje pojedynczy foton, a druga generuje splątaną parę fotonów. Splątanie oznacza, że oba fotony mają jeden stan kwantowy, nawet gdy są fizycznie rozdzielone. Jeden foton z pary przemieszcza się do drugiej kropki kwantowej i oddziałuje z jej fotonem. Gdy oba fotony się nakładają, ich superpozycja przekazuje informację z pierwotnego fotonu do odległego partnera splątanej pary.
Kluczowym elementem tego osiągnięcia było zastosowanie kwantowych konwerterów częstotliwości, czyli urządzeń, które korygują niewielkie niedopasowania częstotliwości między fotonami.
Przesyłanie informacji kwantowej między fotonami z różnych kropek kwantowych to kluczowy krok w kierunku pokonywania większych odległości – wyjaśnia Michler. W tym eksperymencie dwie kropki kwantowe połączono światłowodem o długości około 10 m. Ale pracujemy nad osiągnięciem znacznie większych odległości – mówi Tim Strobel, naukowiec z IHFG i główny autor badania.
Wcześniejsze badania wykazały już, że splątanie fotonów kropek kwantowych może przetrwać transmisję na odległość 36 km przez centrum Stuttgartu.
