Sieci kwantowe kluczem do przyszłości komunikacji

W ramach unijnego projektu SIPHON udało się wyprodukować pojedyncze fotony na żądanie oraz wykazać, że cząstki te mogą być bardziej optymalne niż naturalne atomy w eksperymentach dotyczących pewnego konkretnego zjawiska kwantowego. Osiągnięcie to może mieć istotne implikacje w pionierskiej dziedzinie komunikacji kwantowej. „Współczesna cywilizacja opiera się na szybkim dostępie do informacji”, mówi koordynator projektu SIPHON Klaus Jöns z Królewskiego Instytutu Technologii KTH w Szwecji. „Zyskanie przewagi w dziedzinie zarządzania informacjami ma kluczowe znaczenie dla biznesu, finansów, polityki i bezpieczeństwa. Wymiana informacji odbywa się obecnie w większości przez internet, którego przepustowość jest rzecz jasna ograniczona. Ponadto, przesyłanie danych nie jest bezpieczne”. Sieci przyszłości Koordynowany przez Jönsa unijny projekt poświęcony jest fascynującemu i tajemniczemu światu mechaniki kwantowej i ma na celu określenie możliwości budowy sieci, która pozwoliłaby w przyszłości na przesyłanie olbrzymich ilości danych. „Na poziomie kwantowym możemy kodować informacje na najmniejszych kwantach energii, czyli pojedynczych cząstkach światła – fotonach”, tłumaczy. „Pozwoliłoby to nie tylko zmniejszyć ilość energii potrzebnej do przesyłania informacji, ale także zapewniło całkowite bezpieczeństwo komunikacji dzięki prawidłom mechaniki kwantowej”. Projekt koncentrował się na zjawisku kwantowym zwanym nielokalnością. Ten efekt kwantowy został już dokładnie zbadany, wykonano też szereg eksperymentów, zwykle wykorzystujących dwa splątane fotony. Pomiar rzutowy jednego fotonu powoduje natychmiastowe załamanie stanu drugiego splątanego fotonu znajdującego się w odległym miejscu. Nielokalność pojedynczej cząstki, w szczególności pojedynczego fotonu, rodzi pewne fundamentalne pytanie: czy pojedynczy foton może znajdować się jednocześnie w kilku różnych miejscach? „Nielokalność, którą Albert Einstein określił mianem upiornego działania na odległość, występuje, gdy cząstki znajdujące się w rożnych miejscach w przestrzeni zmieniają swój stan pod wpływem działania zachodzącego w jednej części układu i w jednej lokalizacji”, wyjaśnia Jöns. „W naszym projekcie chcieliśmy sprawdzić, czy nowoczesne nanoskalowe półprzewodnikowe źródła światła kwantowego mogłyby pozwolić na zademonstrowanie nielokalności fotonów”. Sztuczne atomy Jöns i jego współpracownicy wykorzystali w swoich eksperymentach nanoskalowe urządzenia, nazywane też sztucznymi atomami, i dowiedli, że są one rzeczywiście doskonałymi źródłami pojedynczych fotonów. Te sztuczne atomy okazały się w wielu przypadkach lepsze od atomów naturalnych. „Nanoskalowe półprzewodnikowe źródła światła kwantowego wykazały się najniższą niepożądaną emisją wielofotonową”, mówi Jöns. „Można je również wykorzystać do produkowania deterministycznych par splątanych fotonów”. Ta nowa metoda generowania par splątanych fotonów na żądanie może pomóc przyspieszyć badania naukowe. Uczeni odkryli też, że te emitery kwantowe „migają”, co oznacza, że czasami nie emitują światła. Jak twierdzi Jöns, zjawisko to należy uwzględnić przy opracowywaniu przyszłych zastosowań w dziedzinie komunikacji kwantowej. Choć nie ulega wątpliwości, że pojedyncze i splątane fotony są ważnymi elementami budulcowymi sieci kwantowych, Jöns podkreśla, że potrzebne są o wiele bardziej fundamentalne badania, aby wyłonić najlepsze źródła światła kwantowego, spełniające najbardziej rygorystyczne wymagania. „Ten projekt Marie Curie pozwolił mi na zbudowanie własnej sieci współpracowników”, mówi. „Pomogło mi to stać się bardziej niezależnym badaczem oraz stworzyć portfolio prac badawczych. Dzięki projektowi zyskałem też dostęp do wyjątkowego środowiska badawczego, zapewniającego doskonałą opiekę i mentoring w osobie profesora Vala Zwillera z KTH w Sztokholmie”.