Pentru prima dată, o echipă de cercetători a încurcat doi ioni pe o distanță de câteva sute de metri. Astfel, această tehnologie ar putea fi potrivită pentru un viitor internet cuantic.
Unul dintre cele mai mari mistere ale mecanicii cuantice este și rămâne încurcarea. În termeni simpli, aceasta înseamnă că părțile individuale ale unui sistem compozit sunt atât de interconectate, chiar și la o distanță mare, încât nu mai pot fi descrise independent una de cealaltă. În acest caz, se pare că particulele individuale își coordonează comportamentul într-un mod misterios în momentul măsurării. O echipă condusă de Benjamin Lanyon de la Institutul de Optică Cuantică și Informație Cuantică din Austria și de Tracy Northup de la Universitatea din Innsbruck a reușit acum să încurce doi ioni pe o distanță de 230 de metri în linie dreaptă, după cum au raportat în “Physical Review Letters”. Experimentul arată că ionii prinși în capcană sunt candidați promițători pentru un viitor internet cuantic care ar putea, într-o bună zi, să acopere orașe și, în cele din urmă, continente întregi.
Spre deosebire de versiunea clasică a internetului, în care informațiile sunt transferate între două calculatoare prin intermediul a milioane de fotoni, informațiile cuantice nu pot fi copiate. Prin urmare, transferul de informații ca într-o rețea clasică nu mai este posibil. În schimb, trebuie să aibă loc un transfer al stărilor cuantice sensibile pe distanțe mari prin intermediul unor obiecte cuantice încurcate de la un nod la altul. Astfel de rețele cuantice ar putea într-o bună zi să facă posibile noi aplicații puternice, cum ar fi comunicațiile fără întreruperi, calculul distribuit și măsurarea extrem de precisă a timpului cu ajutorul ceasurilor atomice.
Pentru a citi starea cuantică respectivă și pentru a o compara cu un observator la distanță, este necesar un canal de informații “clasic”, cum ar fi o conexiune radio sau prin fibră optică. În consecință, teoria relativității, care afirmă că mesajele pot fi trimise cu o viteză maximă a luminii, nu este încălcată. Încâlcirea cuantică joacă, de asemenea, un rol decisiv în calculele efectuate pe un calculator cuantic și este unul dintre motivele pentru care aceste dispozitive – cel puțin teoretic – ar trebui să poată gestiona anumite sarcini mai bine și mai rapid decât calculatoarele convenționale.
Cei doi ioni încurcați ai cercetătorilor din Innsbruck au fost găzduiți în două laboratoare diferite din campus. Ei formează astfel nodurile unei rețele cuantice rudimentare. Mai multe grupuri de cercetare au demonstrat deja în trecut că este posibil să se încurce astfel de biți cuantici, numiți și qubiți, între ei pe distanțe mai mari de câțiva centimetri sau metri – deși cu ajutorul altor tehnologii, inclusiv puncte cuantice în structuri semiconductoare, circuite supraconductoare și atomi neutri. Recordul este deținut de o echipă de la LMU München. Aceștia au încurcat doi atomi de rubidiu pe o distanță de 33 de kilometri. Chiar dacă distanța utilizată de echipa din Innsbruck este mai scurtă, ionii captivi utilizați ca noduri ale internetului cuantic oferă avantaje față de celelalte opțiuni: sunt mai stabili și, prin urmare, sunt mai potriviți pentru operațiuni multiqubit, ceea ce ar putea permite calcule mai complexe.
În experimentul de față, qubiții sunt realizați astfel încât două lasere cu lungimi de undă diferite pot excita fiecare o stare de viață lungă a unui ion de calciu. Cu o probabilitate de 50%, ionul se află atunci fie într-o stare, fie în cealaltă. Ionul emite apoi un foton care este încurcat cu una dintre cele două stări finale posibile. Pentru a amplifica procesul, ionul este prins într-un rezonator optic. Acesta este format din două oglinzi care reflectă fotonii înainte și înapoi, astfel încât aceștia interacționează cu ionul de mai multe ori. Acest proces se realizează cu ambii ioni în locații diferite. Pentru a încurca cei doi ioni la distanță, echipa a trimis fotonii unui ion printr-un cablu de fibră optică de 510 metri către un separator de fascicule în apropierea celuilalt ion, unde au fost fie transmise, fie reflectate. Întrepătrunderea a avut succes dacă cercetătorii au putut detecta ulterior o pereche de fotoni cu polarizare opusă. În acest caz, ei au creat o stare încurcată în care cei doi ioni se aflau în stări energetice diferite.
“Este cel mai lung proiect în care am fost implicat vreodată”, spune fizicianul cuantic Tracy Northup. Ideea a apărut în 2014. De atunci, configurația experimentală a fost concepută și perfecționată. Dar abia în vara anului 2021 au fost disponibile primele rezultate analizabile. “O provocare deosebită a fost să generăm fotoni încurcați în mod eficient și fiabil”, spune Northup. Un factor cheie în acest sens, spune el, a fost rezonatorul optic. O altă particularitate: spre deosebire de experimentele anterioare cu ioni captivi, ei au manipulat cei doi qubiți cu sisteme de control separate, în laboratoare separate. Acest lucru, spun ei, arată că pot depăși provocările legate de stabilizarea timpului, a frecvenței și a fazei care ar afecta aplicațiile din lumea reală.
Următorii pași ai grupului vor consta în creșterea distanței și apoi a numărului de qubiți încurcați. “Acum știm că acest concept funcționează”, spune Ben Lanyon. “Acum putem visa să stabilim o rețea reală cu mai multe noduri și să transmitem efectiv informații într-un mod criptat cuantic într-un viitor nu prea îndepărtat”. Cu toate acestea, mai este încă un drum lung de parcurs până când vom avea un internet cuantic real format din numeroase noduri.
