Îmblanzând fotonii și electronii deschide calea pentru internetul cuantic

WASHINGTON — Un internet cuantic ar putea permite într-o zi comunicații ultrasecurizate în întreaga lume — dar mai întâi, oamenii de știință trebuie să învețe să îmblânzească particulele cuantice indisciplinate, cum ar fi electronii și fotonii. Mai multe evoluții noi în tehnologia cuantică, discutate la o întâlnire recentă, i-au adus pe oamenii de știință mai aproape de o astfel de măiestrie. Oamenii de știință teleportează acum proprietățile particulelor în orașe, experimentele prin satelit se pregătesc pentru comunicații cuantice în spațiu, iar alți oameni de știință dezvoltă modalități de a păstra informațiile cuantice în memorie.

Într-o singură performanță, oamenii de știință au realizat teleportarea cuantică pe distanțe lungi prin zone metropolitane. Teleportarea cuantică transferă instantaneu proprietățile cuantice ale unei particule la alta. (Totuși, nu permite o comunicare mai rapidă decât lumina, deoarece informațiile suplimentare trebuie trimise prin canale standard.)

Folosind o rețea cuantică din Calgary, oamenii de știință au teleportat stări cuantice ale fotonilor pe o lungime de 6,2 kilometri. „Este un pas spre… realizarea unei rețele cuantice globale”, spune Raju Valivarthi de la Universitatea din Calgary din Canada, care a prezentat rezultatul la Conferința Internațională privind Criptografia Cuantică, QCrypt, pe 12 septembrie.

Un al doilea grup de oameni de știință a teleportat recent fotoni folosind o rețea cuantică răspândită prin orașul Hefei, China. Cele două echipe și-au publicat rezultatele online pe 19 septembrie Fotonica naturii.

Proprietățile ciudate ale particulelor cuantice fac posibilă comunicarea cuantică: ele pot fi în două locuri simultan sau pot avea proprietățile lor legate prin întricarea cuantică. Modificați o particulă dintr-o pereche încâlcită și puteți părea imediat să o afectați pe cealaltă – ceea ce Albert Einstein a numit „acțiune înfricoșătoare la distanță”. Folosind încrucișarea cuantică, oamenii pot schimba în siguranță chei cuantice – coduri care pot fi folosite pentru a cripta mesajele secrete. (SN: 20.11.10, str. 22). Orice interlocutor care spionează schimbul de chei cuantice ar fi detectat, iar cheile ar putea fi aruncate.

În practică, particulele cuantice pot călători doar atât de departe. Pe măsură ce fotonii sunt trimiși înainte și înapoi prin fibre optice, mulți se pierd pe parcurs. Dar anumite tehnici pot fi folosite pentru a-și extinde gama. Sistemele de teleportare cuantică ar putea fi folosite pentru a crea repetoare cuantice, care ar putea fi înlănțuite împreună pentru a extinde rețelele mai departe. Dar, pentru a funcționa, repetoarele cuantice ar avea nevoie și de o memorie cuantică pentru a stoca încurcarea până când toate verigile din lanț sunt gata, spune Ronald Hanson de la Universitatea de Tehnologie Delft din Țările de Jos. Folosind un sistem bazat pe încrucișarea cuantică a electronilor din cipurile de diamant, echipa lui Hanson a dezvoltat o memorie cuantică prin transferul încurcării electronilor în nucleele atomice pentru păstrare, a raportat el la QCrypt pe 15 septembrie.

Sateliții ar putea, de asemenea, să permită comunicarea cuantică de la distanță. În august, China a lansat un satelit pentru a testa comunicarea cuantică din spațiu; alte grupuri studiază, de asemenea, tehnici de trimitere a informațiilor cuantice delicate în spațiu și înapoi (SN Online: 6/5/16), emitând fotoni prin spațiul liber în loc de prin fibre optice. „O legătură în spațiul liber este esențială dacă doriți să mergeți la distanțe lungi reale”, a spus Giuseppe Vallone de la Universitatea din Padova din Italia într-o sesiune la QCrypt din 14 septembrie. Particulele pot călători mai departe atunci când sunt trimise prin satelit cuantic – datorită în golul spațiului, mai puțini fotoni sunt absorbiți sau împrăștiați.

Rețelele cuantice ar putea beneficia, de asemenea, de procese care permit utilizarea „amprentelor digitale cuantice” reduse ale datelor, pentru a compara fișierele fără a trimite date în exces, a raportat Feihu Xu de la MIT la QCrypt pe 12 septembrie. Pentru a verifica dacă două fișiere sunt identice – pt. de exemplu, pentru a găsi filme piratate ilegal — s-ar putea compara toți biții din fiecare fișier. Dar, de fapt, un subset de biți – sau o amprentă – poate face treaba bine. Prin valorificarea puterii mecanicii cuantice, Xu și colegii au reușit să compare mesajele folosind mai puține informații decât necesită metodele clasice.

Internetul cuantic se bazează pe principiile mecanicii cuantice, pe care fizicienii moderni le acceptă în general – acțiune înfricoșătoare și tot. În 2015, oamenii de știință au confirmat în sfârșit că un exemplu cheie de ciudățenie cuantică este real, cu o versiune completată a unui test cunoscut sub numele de test Bell, care a închis lacune care au slăbit testele Bell anterioare (SN: 19.09.15, str. 12). Testele Bell fără lacune au fost necesare pentru a înlătura orice îndoială persistentă, dar nimeni nu se aștepta la surprize, spune Charles Bennett de la Centrul de Cercetare IBM Thomas J. Watson din Yorktown Heights, NY „Într-un anumit sens, bate un cal mort”.

Dar testele Bell au aplicații și pentru internetul cuantic – ele reprezintă fundamentul unui tip și mai sigur de comunicare cuantică, numită distribuție a cheilor cuantice independentă de dispozitiv. De obicei, schimburile securizate de chei cuantice necesită ca dispozitivele utilizate să fie de încredere, dar metodele independente de dispozitiv elimină această cerință. Acesta este „cel mai sigur mod de comunicare cuantică”, spune Hanson. „Nu face nicio presupunere cu privire la funcționarea internă a dispozitivului.”