Naukowcy właśnie zrobili krok do teleportacji. To może zmienić świat

Jeszcze kilka lat temu teleportacja kwantowa kojarzyła się głównie z fantastyką naukową i efektownymi wizjami rodem z „Star Treka”. Dziś coraz częściej pojawia się w publikacjach naukowych jako realna technologia, nad którą pracują laboratoria na całym świecie. Najnowszy eksperyment przeprowadzony przez fizyków z włoskiej Sapienzy pokazuje, że internet kwantowy przestaje być wyłącznie futurystycznym marzeniem. Naukowcy zdołali bowiem przeprowadzić teleportację stanu kwantowego fotonu w miejskiej sieci łączącej klasyczny światłowód z kanałem optycznym działającym „w powietrzu”.

To jeden z najbardziej wymagających testów tego typu technologii, ponieważ eksperyment odbywał się nie w sterylnych warunkach laboratoryjnych, lecz w środowisku przypominającym przyszłą infrastrukturę miejską. Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”, a sam projekt może okazać się ważnym krokiem w stronę stworzenia bezpiecznych sieci komunikacyjnych nowej generacji.

Wbrew popularnym wyobrażeniom teleportacja kwantowa nie oznacza fizycznego przenoszenia obiektów z jednego miejsca do drugiego. Chodzi o coś znacznie subtelniejszego — przesyłanie informacji zapisanej w stanie kwantowym cząstki. W praktyce oznacza to możliwość odtworzenia właściwości jednego fotonu w zupełnie innym miejscu, bez kopiowania samej cząstki. To właśnie ten mechanizm ma w przyszłości stać się fundamentem internetu kwantowego, odpornego na podsłuchiwanie i znacznie wydajniejszego od obecnych systemów komunikacyjnych.

Kluczowym elementem eksperymentu były tzw. kropki kwantowe, czyli nanoskopijne struktury półprzewodnikowe określane czasem mianem „sztucznych atomów”. Po odpowiednim pobudzeniu emitują one pojedyncze fotony lub pary splątanych fotonów — a właśnie takie cząstki są idealnymi nośnikami informacji kwantowej.

Problem polega jednak na tym, że w praktyce każda kropka kwantowa zachowuje się nieco inaczej. Nawet minimalne różnice w parametrach optycznych mogą sprawić, że fotony przestaną być wystarczająco podobne, by przeprowadzić teleportację kwantową. Dla naukowców to jedno z największych wyzwań podczas budowy przyszłych sieci kwantowych.

Zespół badawczy postanowił zmierzyć się właśnie z tym ograniczeniem. W eksperymencie wykorzystano dwa niezależne emitery wykonane z arsenku galu (GaAs). Jeden z nich dostrojono mechanicznie za pomocą piezoelektrycznych naprężeń, drugi — przy użyciu pola magnetycznego. Całość wspierały ultraszybkie detektory pojedynczych fotonów, zdolne rejestrować sygnały z dokładnością poniżej 15 pikosekund.

Brzmi niezwykle technicznie, ale efekt był imponujący: dwa różne źródła fotonów udało się zsynchronizować na tyle dobrze, by mogły współpracować w jednym protokole teleportacji kwantowej. Jeszcze do niedawna wielu fizyków uważało taki scenariusz za wyjątkowo trudny do osiągnięcia poza idealnymi warunkami laboratoryjnymi.

Najbardziej widowiskowa część eksperymentu rozegrała się jednak poza laboratorium. Naukowcy stworzyli sieć złożoną z trzech oddzielnych węzłów rozmieszczonych w różnych budynkach kampusu Sapienzy.

W pierwszym laboratorium przygotowywano foton niosący określoną informację kwantową. Następnie przesyłano go światłowodem do drugiego laboratorium, gdzie dochodziło do kluczowego procesu teleportacji. Tam foton spotykał się z cząstką pochodzącą ze splątanej pary wygenerowanej przez drugą kropkę kwantową.

Drugi foton z tej samej splątanej pary był już w tym czasie wysyłany dalej — przez 270-metrowy kanał optyczny poprowadzony w otwartej przestrzeni między budynkami. I właśnie ten fragment okazał się największym sprawdzianem dla całego systemu.

Połączenie „w powietrzu” powodowało utratę niemal 90 proc. sygnału. Dodatkowym problemem były turbulencje atmosferyczne, zakłócenia optyczne oraz konieczność perfekcyjnej synchronizacji pomiarów wykonywanych w oddalonych od siebie punktach. Aby utrzymać stabilność układu, badacze wykorzystali synchronizację GPS oraz system luster kompensujących drgania i zmiany położenia wiązki.

To właśnie ten element sprawia, że eksperyment jest tak ważny. Wcześniejsze demonstracje teleportacji kwantowej często odbywały się w warunkach silnie kontrolowanych. Tym razem technologia została sprawdzona w środowisku znacznie bliższym temu, z czym będzie musiał mierzyć się przyszły internet kwantowy w prawdziwych miastach.

Najważniejsze okazały się jednak same rezultaty. W konfiguracji wykorzystującej światłowód badacze osiągnęli wierność teleportacji na poziomie 0,82 oraz 0,77 — wyraźnie powyżej klasycznej granicy wynoszącej 2/3. W wariancie hybrydowym, obejmującym również kanał optyczny między budynkami, średnia wartość wyniosła około 0,80.

Dla osób spoza świata fizyki liczby te mogą wydawać się mało spektakularne, ale w rzeczywistości oznaczają ogromny sukces technologiczny. Pokazują bowiem, że informacja kwantowa została przesłana skuteczniej, niż byłoby to możliwe przy użyciu wyłącznie klasycznych metod komunikacji.

Eksperyment miał oczywiście swoje ograniczenia. Najwyższą jakość teleportacji uzyskano przy bardzo wąskim oknie czasowym, co oznaczało jednocześnie niewielką liczbę skutecznych zdarzeń. Przy szerszych ustawieniach system działał szybciej, ale kosztem jakości przesyłanych stanów kwantowych.

To pokazuje, że do praktycznego internetu kwantowego droga wciąż pozostaje długa. Naukowcy muszą jeszcze poprawić stabilność źródeł fotonów, ograniczyć zakłócenia oraz zwiększyć efektywność przesyłu danych. Konieczne będzie również opracowanie wydajnych repeaterów kwantowych — urządzeń pozwalających podtrzymywać połączenia na dużych odległościach bez naruszania zasad mechaniki kwantowej.

Mimo to eksperyment włoskiego zespołu jest jednym z najbardziej przekonujących dowodów na to, że budowa miejskich sieci kwantowych staje się realnym celem technologii XXI wieku. Jeszcze niedawno podobne testy wydawały się niemal niemożliwe do przeprowadzenia poza laboratorium. Dziś naukowcy zaczynają przenosić je do rzeczywistej infrastruktury, krok po kroku przybliżając moment, w którym internet kwantowy stanie się częścią codzienności.