Amerykańscy naukowcy stworzyli pierwszy układ scalony łączący wszystkie niezbędne funkcje fotoniczne kwantowe, umożliwiające przesyłanie splątanych kubitów przez konwencjonalną sieć światłowodową, torując drogę prawdziwemu kwantowemu internetowi.
Nawigacja Unikalne połączenie komponentów na jednym chipie Gotowe do użytku w świecie rzeczywistym Splątane fotony i hipersplątanie Kolejne kroki w sieciach kwantowych
Zespół naukowców z Oak Ridge National Laboratory w USA poczynił znaczący krok w kierunku urzeczywistnienia idei internetu kwantowego, tworząc pierwszy na świecie układ scalony łączący kilka kluczowych funkcji fotonicznych kwantowych. To przełomowe odkrycie otwiera drogę do masowej produkcji kompaktowych i niedrogich urządzeń, które mogą przesyłać informacje kwantowe za pomocą konwencjonalnych sieci światłowodowych. Dzięki temu rozwiązaniu skomplikowane eksperymenty laboratoryjne mogą przekształcić się w rzeczywiste technologie stosowane w praktyce.
Naukowcy udowodnili, że ich nowy układ scalony potrafi tworzyć i kontrolować splątane fotony – cząsteczki światła służące do tworzenia bitów kwantowych (kubitów). Dzięki splątaniu urządzenia kwantowe mogą wymieniać informacje na odległość, pozostając jednocześnie w kontakcie. Technologia ta stanowi podstawę tworzenia bezpiecznych sieci komunikacyjnych przyszłości.
Unikalne połączenie komponentów na jednym układzie scalonym
Chociaż pojedyncze elementy fotoniczne umieszczano już wcześniej na mikroprocesorach, to po raz pierwszy wszystkie niezbędne funkcje połączono w jednym urządzeniu. Jak wyjaśnił Joe Lukens, główny autor badania, taka integracja pozwala nam wyjść poza demonstracje laboratoryjne i zmierzać w kierunku skalowalnych rozwiązań.
Powstały układ zapewnia szerokopasmowe splątanie polaryzacyjne, co jest kluczową cechą sieci kwantowych. Osiąga się to dzięki specjalnym rezonatorom mikro-pierścieniowym i rozdzielaczom polaryzacyjnym, które kontrolują kierunek drgań fali świetlnej. Wszystko to mieści się na płaszczyźnie mikroprocesora, co otwiera możliwości masowej produkcji.
Gotowy do rzeczywistego użytku
Jednym z najważniejszych aspektów innowacji jest kompatybilność z istniejącą infrastrukturą. Kubity fotonowe, z których zbudowany jest nowy układ scalony, można przesyłać za pomocą zwykłych światłowodów telekomunikacyjnych. Oznacza to, że do wdrożenia internetu kwantowego nie będzie konieczne budowanie oddzielnych sieci – wystarczy modernizacja sprzętu.
Chociaż proces generowania i kodowania kubitów pozostaje skomplikowany i kosztowny, zintegrowane układy scalone, takie jak ten, mogą znacznie obniżyć koszty. Naukowcy zauważają, że w przyszłości nowe układy scalone będą mogły działać jako moduły w sieciach kwantowych bez konieczności stosowania dodatkowych skomplikowanych urządzeń optycznych.
Splątane fotony i hipersplątanie
Najważniejszą cechą urządzenia było stworzenie 116 oddzielnych par kanałów do przesyłania splątanych fotonów. Większość z nich wykazała się wysokim poziomem dokładności, co jest rekordem w tej kategorii. Umożliwia to zwiększenie ilości informacji, które można przesłać jednocześnie i poprawę stabilności połączenia.
Zespół ORNL zauważa również, że w przyszłości taki układ będzie mógł zostać użyty do tworzenia hipersplątania – splątania nie tylko w polaryzacji, ale również w barwie światła. Takie podejście umożliwiłoby przesyłanie większej ilości danych poprzez różne „wymiary” fotonów, niczym kilka wielościennych sześcianów wyświetlających synchronicznie te same ściany niezależnie od odległości.
Następne kroki w rozwoju sieci kwantowej
Prace nad nowym układem są częścią większego projektu mającego na celu stworzenie pełnoprawnej sieci kwantowej. Mimo że ostateczna forma takiego Internetu jest wciąż nieznana, każda nowa technologia przybliża naukowców do celu. Masowe wprowadzenie takich układów nie tylko poprawi bezpieczeństwo komunikacji cyfrowej, ale także otworzy nowe horyzonty w dziedzinie obliczeń i przechowywania informacji.
Badania te wsparły Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodowa Fundacja Nauki oraz Laboratorium Sił Powietrznych, co odzwierciedla strategiczne znaczenie tego przedsięwzięcia. W niedalekiej przyszłości technologia ta może wyjść poza etap eksperymentów laboratoryjnych i znaleźć zastosowanie praktyczne w sieciach telekomunikacyjnych nowej generacji.
Przypomnijmy, że wcześniej pisaliśmy o tym, jak budować świadomą współpracę z maszyną.
