Internet kwantowy pozbywa się kabla. Fotony przeleciały 21 km przez powietrze

Światłowód się kończy, ale foton leci dalej. Naukowcy z Brookhaven National Laboratory i Stony Brook University uruchomili 21-kilometrowe optyczne łącze kwantowe prowadzące przez otwartą atmosferę. Nocą przesłali nim splątane fotony, a całość została dołączona do istniejącej sieci kwantowej o długości około 259 km. To jeszcze nie bezprzewodowy internet kwantowy na miarę Wi-Fi, ale dokładnie tak może wyglądać jeden z brakujących elementów przyszłej globalnej sieci.

Po jednej stronie znajduje się Quantum Watchtower na dachu Health Sciences Center należącego do Stony Brook University. Po drugiej Quantum Lighthouse zbudowany na siedmiopiętrowym budynku Brookhaven National Laboratory w Upton. W linii prostej dzieli je 13 mil, czyli około 21 km.

Dokładnie 21 sierpnia naukowcy przeprowadzili publiczną demonstrację systemu. W Stony Brook laser generował kwantowe stany światła zawierające zaledwie kilka fotonów. Sygnał opuszczał światłowód, przelatywał przez otwartą atmosferę i trafiał do instalacji w Brookhaven. Dwa dni wcześniej, 19 sierpnia o godz. 00:26 czasu lokalnego, przeprowadzono ważniejszy eksperyment. W laboratorium Stony Brook wytworzono splątane pary fotonów. Następnie doprowadzono je światłowodem do wieży, wysłano przez 21 km powietrza i wykryto w Quantum Lighthouse.

To właśnie możliwość przeniesienia splątania przez nowe łącze jest kluczowa z punktu widzenia przyszłego internetu kwantowego. Nie chodzi przecież o bardzo drogą wersję komunikacji laserowej. Celem jest przenoszenie stanów kwantowych między odległymi węzłami bez niszczenia ich właściwości.

W klasycznym internecie informacja może być kopiowana praktycznie bez ograniczeń. Sygnał słabnie po drodze? Wzmacniacz odczytuje go, regeneruje i wysyła dalej. W świecie kwantowym nie jest jednak tak łatwo.

Nieznanego stanu kwantowego nie można po prostu idealnie skopiować. Próba pomiaru również może zmienić układ. Dlatego budowa sieci kwantowej wymaga zupełnie innych mechanizmów niż stawianie kolejnych routerów i wzmacniaczy.

Jedną z podstawowych zasobów takiej sieci jest splątanie. Dwa układy można przygotować w jednym wspólnym stanie kwantowym w taki sposób, że opisanie jednego nie daje się oddzielić od drugiego, nawet jeśli znajdują się daleko od siebie. Nie oznacza to przesyłania informacji szybciej od światła, ale umożliwia takie operacje jak teleportacja kwantowa i tworzy podstawę wielu protokołów komunikacyjnych.

Na Spider’s Web opisywaliśmy już eksperyment, w którym udało się teleportować informację kwantową pomiędzy fotonami pochodzącymi z dwóch niezależnych kropek kwantowych. Jednym z największych problemów pozostaje właśnie dostarczenie takich stanów na większe odległości bez ich utraty. Amerykańskie doświadczenie atakuje fizyczne połączenie oddalonych węzłów.

Dzisiejsze eksperymentalne sieci kwantowe bardzo często korzystają z istniejącej infrastruktury telekomunikacyjnej. To logiczne. Światłowodów mamy miliony kilometrów, są dobrze poznane i pozwalają przesyłać światło przy relatywnie niskich stratach. Brookhaven i Stony Brook również zbudowały w ten sposób rozległą sieć. Obejmuje ona 8 węzłów i łącznie 161 mil, czyli około 259 km, na Long Island i w aglomeracji Nowego Jorku. Ma jednak ograniczenie.

Klasyczne włókna telekomunikacyjne są zoptymalizowane pod konkretne zakresy długości fali, przede wszystkim okolice 1550 nm. To właśnie tam tłumienie szkła jest bardzo małe. Problem w tym, że urządzenie kwantowe po drugiej stronie kabla niekoniecznie chce pracować dokładnie z takim światłem. Atomy, jony, centra barwne i inne systemy wykorzystywane jako pamięci albo procesory kwantowe mają swoje naturalne przejścia energetyczne, a więc również własne kolory fotonów.

Można oczywiście próbować konwertować częstotliwość fotonu bez niszczenia jego stanu kwantowego. Tyle że dokładamy wtedy kolejne skomplikowane urządzenie, straty i potencjalne źródło szumu. Otwarta przestrzeń nie narzuca tego samego okna telekomunikacyjnego.

Badacze chcą więc eksperymentować z długościami fali w podczerwieni bardziej naturalnymi dla samych procesorów kwantowych. W przyszłości mogłoby to pozwolić np. bezpośrednio splątać dwa odległe układy atomowe bez tłumaczenia ich światła na standard światłowodu i z powrotem.

To dokładnie uzupełnia problem, o którym pisaliśmy przy okazji prac nad mostem pomiędzy komputerami kwantowymi i fotoniczną siecią. Sam procesor może bowiem pracować na sygnałach zupełnie innych niż te, które najlepiej nadają się do dalekiej transmisji.

Usunięcie światłowodu rozwiązuje jeden problem i natychmiast tworzy kilka nowych. Najbardziej obrazowy jest problem celowania. Światło opuszcza rdzeń włókna o średnicy około 5 μm. To mniej niż 1/10 grubości ludzkiego włosa. Po drugiej stronie, 21 km dalej, ostatecznie trzeba wprowadzić je do równie małego światłowodu.

Oczywiście nikt nie próbuje strzelać 5-mikrometrową wiązką przez pół Long Island. Układ optyczny rozszerza ją do średnicy około 25 cali, czyli 0,6 m – odpowiadającej średnicy głównego lustra teleskopu. Szeroka wiązka pokonuje atmosferę, jest zbierana przez drugi układ, a następnie skupiana ponownie na mikroskopijnym wejściu włókna. Już samo utrzymanie takiego połączenia wymaga ekstremalnej precyzji. A Ziemia robi wszystko, żeby ją popsuć.

Pamiętajmy, że między Stony Brook a Brookhaven są 21 km atmosfery tuż nad ziemią. Powietrze nagrzane nad asfaltem ma inne właściwości niż nad trawą. Budynki, drzewa, teren i wiatr bez przerwy mieszają warstwy o różnych temperaturach i gęstościach. Zmienia się przez to współczynnik załamania światła. To dokładnie ten sam mechanizm, który sprawia, że gwiazdy migoczą, a odległy obraz nad rozgrzaną drogą zaczyna falować. Dla astronomii rozwiązaniem od lat jest optyka adaptacyjna.

Brookhaven wykorzystało tę samą technologię, tylko w jeszcze bardziej niewygodnej geometrii. Astronom obserwujący gwiazdę patrzy przez atmosferę prawie pionowo i większość drogi światło pokonuje już poza nią. Tutaj foton praktycznie całe 21 km spędza w najbardziej turbulentnej warstwie tuż nad powierzchnią.

Układ wykorzystuje bardzo cienkie deformowalne lustra. Ich powierzchnia jest mechanicznie zmieniana tysiące razy na sekundę, aby w czasie rzeczywistym kompensować zniekształcenia czoła fali. Można powiedzieć, że atmosfera gniotła światło, a system optyczny bez przerwy próbował je rozprostować. Bez tego zamiast trafić w kilkumikrometrowy rdzeń po drugiej stronie, fotony rozlałyby się po znacznie większym obszarze.

Światłowód ma ogromną zaletę: chroni foton przed otoczeniem. W powietrzu trzeba zmierzyć się ze wszystkim naraz. Za dnia detektory są bombardowane ogromną ilością światła słonecznego, podczas gdy interesujący naukowców sygnał może składać się z pojedynczych fotonów. Słońce dodatkowo ogrzewa powierzchnię i zwiększa turbulencję atmosferyczną. Dlatego splątane fotony wysłano na razie nocą.

Jest jeszcze bardziej prozaiczny przeciwnik: mgła. Obie instalacje muszą mieć bezpośrednią linię widzenia. Jeżeli pomiędzy nimi pojawi się gęsta chmura kropelek wody, fotony zostaną rozproszone i łącze przestaje działać. Zespół otwarcie przyznaje, że w obecnej fazie eksperymenty kwantowe mają być prowadzone przede wszystkim podczas pogodnych nocy.

Docelowo badacze chcą zwiększyć odporność systemu również na dzienne światło i gorsze warunki pogodowe, ale prawa fizyki stawiają tutaj twarde ograniczenia. Optyczne łącze przez atmosferę prawdopodobnie nigdy nie będzie zachowywać się tak samo niezawodnie jak kabel zakopany w ziemi. I właśnie dlatego przyszły internet kwantowy raczej nie pozbędzie się światłowodu. Będzie hybrydowy.

21 km to dopiero pierwszy bezprzewodowy odcinek całego projektu. Trzeci obiekt powstał już na Yale University w New Haven. Teraz naukowcy mają zestawić połączenie pomiędzy Stony Brook i Yale. Dystans wyniesie około 30 mil, czyli 48 km. Tym razem fotony będą musiały przelecieć nad Long Island Sound, a więc otwartym akwenem oddzielającym Long Island od Connecticut.

Jeżeli uda się tam utrzymać transmisję splątania, powstanie interesujący model sieci, w której światłowodowy kręgosłup może być łączony optycznymi mostami nad obszarami trudnymi albo nieopłacalnymi do przekopania. Morze jest oczywistym przykładem. Jeszcze ciekawszym jest jednak kosmos.

Quantum Lighthouse nieprzypadkowo wygląda bardziej jak obserwatorium astronomiczne, niż centrala telekomunikacyjna. Ten sam zestaw dużych luster, precyzyjnego śledzenia i optyki adaptacyjnej może być wykorzystany do komunikacji z satelitą. Brookhaven planuje najpierw ćwiczyć śledzenie zwykłych statków kosmicznych. W przyszłości system ma nawiązywać połączenia z satelitami kwantowymi.

Przeczytaj także:

To jedna z najbardziej obiecujących metod obejścia ograniczeń światłowodu na naprawdę dużych odległościach. Polska przygotowuje się już do podobnego etapu w projekcie PIONIER-Q-SAT. Nasza istniejąca infrastruktura kwantowa ma zostać uzupełniona o optyczną stację naziemną pozwalającą połączyć sieć z satelitą i wyjść poza granice krajowej infrastruktury kablowej. Droga przez orbitę ma ciekawą zaletę.

21-kilometrowe łącze Brookhaven-Stony Brook przez cały czas przebija się przez turbulencje blisko powierzchni Ziemi. Foton lecący do satelity po przejściu dolnych kilometrów atmosfery trafia natomiast w znacznie spokojniejsze środowisko, a później w próżnię. Dlatego satelity już od lat są jedną z głównych dróg do kwantowej komunikacji na setki i tysiące kilometrów.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: towfiqu, Canva Pro