Hybrydowa wymiana splątania stanowi przełom w komunikacji kwantowej

Splątanie kwantowe sprawia wrażenie coraz dziwniejszego zjawiska, co niewątpliwie ucieszy wszystkich tych, którzy postanowili okiełznać jego potencjał. Badania naukowe finansowane ze środków UE pozwoliły na odkrycie nowych rodzajów stanów splątanych fotonów, co sprawia, że granice kwantowej komunikacji i przetwarzania informacji przesuwają się jeszcze dalej.

Modele mechaniki klasycznej, które opisują otaczający nas świat, nie mają żadnego przełożenia na fotony, elektrony i mniejsze od nich cząstki. Światło może zachowywać się jak cząstka. Materia potrafi przejawiać właściwości falowe. Co więcej niektóre właściwości fizyczne cząsteczki mogą wpływać na te same właściwości innej cząsteczki niezależnie od dzielącej je odległości – nawet liczonej w kilometrach – które to zjawisko Einstein nazywał „upiornym działaniem na odległość”.

Zjawisko to, znane także jako splątanie kwantowe, ma istotne znaczenie dla przetwarzania informacji kwantowych i bezpiecznej komunikacji kwantowej. Dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” powstał projekt HELIOS, którego celem było zbadanie zaobserwowanego niedawno zjawiska splątania fotonów w stanie cząstki i fali nazywanego splątaniem hybrydowym.

Nieoczekiwany kwantowy przełom w temacie kwantowych protokołów komunikacyjnych

Światło jest idealnym nośnikiem, który może zostać wykorzystany do transmisji i przetwarzania informacji kwantowych. Może je wykorzystywać większość istniejących urządzeń komunikacyjnych – zarówno kwantowych, jak i klasycznych, a co więcej, nic we Wszechświecie nie jest w stanie poruszać się szybciej niż światło. Ponadto jego dwoista, korpuskularno-falowa natura umożliwia dyskretne podejście do zagadnienia kodowania informacji kwantowej, podobnie jak ma to miejsce w przypadku sygnału cyfrowego, nie wykluczając przy tym ciągłej analizy, podobnej do rozwiązań znanych z przetwarzania sygnałów analogowych.

Działający w ramach projektu stypendysta Giovanni Guccione postanowił zademonstrować hybrydowe rozwiązanie korzystające z obu tych podejść. Stworzył tym samym kwantowy odpowiednik przetwornika cyfrowo-analogowego (ang. digital-to-analogue converter, DAC), w którym wykorzystał zjawisko kwantowej teleportacji światła. Guccione wyjaśnia: „Teleportacja stanu kwantowego polega na skutecznym przekazaniu właściwości kwantowych układu znajdującego się w węźle początkowym do węzła końcowego bez wykonywania odczytów pośrednich, które mogłyby zakłócić przetwarzanie informacji kwantowej”. Proces ten wykorzystuje klasyczne rozwiązania w zakresie komunikacji oraz splątanie kwantowe pomiędzy węzłami wysyłającym i odbierającym.

Mimo kilku znaczących przeszkód technicznych, jakie napotkał po drodze, Guccione zdołał przedstawić proste i nowatorskie rozwiązania. W ramach prac prowadzonych pod egidą projektu HELIOS zdołał zaprezentować hybrydowe splątanie światła i poczynił jeszcze jedno pionierskie odkrycie. Guccione przypomina: „W usprawnionej wersji zademonstrowaliśmy także pierwszy przykład wymiany splątania hybrydowej postaci światła. Demonstracja ta dowodzi, że cząstka splątana początkowo z inną cząstką jest podatna na splątanie z zupełnie innym obiektem nawet bez zajścia między nimi bezpośredniego oddziaływania”.

Guccione podsumowuje: „Najważniejszym osiągnięciem tego projektu jest uzyskanie wymiany splątania kwantowego w kontekście splątania hybrydowego, czy to z punktu widzenia tworzenia hybrydowych stanów splatanych, czy innych podstawowych protokołów komunikacji kwantowej. Ze względu na fakt, że informacji kwantowej nie da się powielić ani wzmocnić, jak sygnału klasycznego, wymiana splątania stanowi metodę tworzenia w sieci kwantowych przekaźników, poniekąd kwantowych odpowiedników klasycznych wzmacniaczy sygnału”. Odkrycia te mogą okazać się szczególnie istotne w przyszłych, heterogenicznych sieciach kwantowych, co może doprowadzić do ulepszenia bezpiecznej wymiany informacji kwantowych a nawet dając podstawy do stworzenia kwantowego internetu.

Z prędkością światła ku przyszłości

Projekt HELIOS przesunął granicę przetwarzania i obliczeń w ramach komunikacji kwantowej. Pracujący nad nim zespół dowiódł, że korelacje kwantowe mogą tworzyć się nie tylko między węzłami, które nigdy ze sobą nie oddziaływały, lecz także między węzłami opartymi na niekompatybilnych ze sobą kodowaniach. Guccione podsumowuje: „Choć to zaledwie pojedynczy krok na drodze do przyszłych osiągnięć, pokazuje on, jak szybko mechanika kwantowa przechodzi z fazy czysto teoretycznej w praktyczne, mogące znaleźć zastosowanie w świecie rozwiązania. »Zwykła« komunikacja kwantowa może okazać się nam bliższa niż moglibyśmy to podejrzewać”. Być może kwantowy internet nie jest wcale tak odległą przyszłością, być może nawet będzie ściśle związany z zademonstrowanym zjawiskiem wymiany splątania hybrydowego.