Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας πραγματοποίησαν ένα σημαντικό βήμα προς τις πρακτικές κβαντικές επικοινωνίες, αποδεικνύοντας ότι η κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί να μεταφέρει κβαντικές πληροφορίες αποτελεσματικότερα από την απευθείας μετάδοση φωτονίων σε συνθήκες όπου οι απώλειες είναι μεγάλες.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, παρουσιάζει μια νέα μέθοδο δημιουργίας διεμπλεγμένων φωτονίων από απόσταση, αξιοποιώντας την κβαντική τηλεμεταφορά για τη μείωση των απωλειών κατά τη μετάδοση.
Κβαντική τηλεμεταφορά: Το πρόβλημα των απωλειών στις κβαντικές επικοινωνίες
Οι κβαντικές επικοινωνίες βασίζονται στα φωτόνια, δηλαδή στα σωματίδια του φωτός, για τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών.
Ωστόσο, καθώς τα φωτόνια ταξιδεύουν μέσα από οπτικές ίνες ή άλλα μέσα μετάδοσης, ένα σημαντικό ποσοστό τους χάνεται λόγω σκέδασης, απορρόφησης ή άλλων φυσικών φαινομένων. Το πρόβλημα γίνεται ακόμη πιο έντονο όσο αυξάνεται η απόσταση, περιορίζοντας σημαντικά τις δυνατότητες ανάπτυξης μεγάλων κβαντικών δικτύων.
Η κβαντική τηλεμεταφορά ως λύση
Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν μεταφέρει το ίδιο το σωματίδιο από ένα σημείο σε άλλο. Αντίθετα, μεταφέρει την κβαντική του κατάσταση μέσω του φαινομένου της κβαντικής διεμπλοκής, κατά το οποίο δύο σωματίδια παραμένουν συνδεδεμένα ακόμη και όταν βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις.
Αν και η θεωρητική ιδέα υπάρχει εδώ και περισσότερα από 40 χρόνια, η πρακτική εφαρμογή της σε πραγματικές συνθήκες παρέμενε ιδιαίτερα δύσκολη.
Για πρώτη φορά άμεση σύγκριση
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μέχρι σήμερα δεν είχε πραγματοποιηθεί πειραματική σύγκριση ανάμεσα στην κβαντική τηλεμεταφορά και την απευθείας μετάδοση φωτονίων μέσω του ίδιου καναλιού επικοινωνίας.
Για τον σκοπό αυτό ανέπτυξαν μια νέα οπτική μέθοδο δημιουργίας διεμπλεγμένων φωτονίων υψηλής ποιότητας.
Στο πείραμα δημιουργήθηκαν έξι φωτόνια, από τα οποία τα τέσσερα χρησιμοποιήθηκαν για μετρήσεις που επιβεβαίωναν τη δημιουργία ενός διεμπλεγμένου ζεύγους στα δύο υπόλοιπα. Με αυτόν τον τρόπο, το ζεύγος μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βάση για την πραγματοποίηση της κβαντικής τηλεμεταφοράς.
Σχεδόν τριπλάσια αποτελεσματικότητα
Οι επιστήμονες δοκίμασαν τη νέα τεχνική σε κανάλι μετάδοσης με απόδοση μόλις περίπου 1%, προσομοιώνοντας ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες επικοινωνίας.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κβαντική τηλεμεταφορά ήταν σχεδόν τρεις φορές πιο αποτελεσματική από την απευθείας αποστολή ενός φωτονίου, ακόμη και όταν η δεύτερη ενισχυόταν με προηγμένες τεχνικές κβαντικής κλωνοποίησης.
Η επίδοση αυτή αποτελεί την πρώτη πειραματική απόδειξη ότι η κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί να υπερέχει της συμβατικής μετάδοσης σε πραγματικές συνθήκες απωλειών.
Βήμα προς τα κβαντικά δίκτυα του μέλλοντος
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η νέα προσέγγιση μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την ανάπτυξη κβαντικών αναμεταδοτών, κόμβων επικοινωνίας και διασυνδεδεμένων κβαντικών υπολογιστών.
Το επόμενο στάδιο της έρευνας θα είναι η δοκιμή της τεχνικής σε πραγματικά δίκτυα οπτικών ινών και όχι μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες.
Παράλληλα, η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει τη μέθοδο ώστε να δημιουργεί πιο πολύπλοκες διεμπλεγμένες κβαντικές καταστάσεις, όπως οι καταστάσεις GHZ, οι οποίες θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ακόμη πιο προηγμένα πρωτόκολλα επικοινωνίας, κατανεμημένων υπολογισμών και επεξεργασίας κβαντικών πληροφοριών.
Η επιτυχία της μελέτης φέρνει τις πρακτικές κβαντικές επικοινωνίες πιο κοντά στην πραγματικότητα και ενισχύει τις προοπτικές δημιουργίας ασφαλών και αποδοτικών κβαντικών δικτύων μεγάλης κλίμακας.
