Vedci prelomili zásadnú prekážku kvantovej teleportácie. Vlastnosť svetla preniesli medzi dvoma odlišnými zariadeniami
Vedci prvýkrát preniesli kvantový stav medzi dvoma odlišnými zdrojmi fotónov cez 270 metrov.
Teleportácia už nie je iba pojem zo Star Treku. Jej skutočná podoba však nevyzerá tak, že človek zmizne na jednom mieste a objaví sa na druhom. Medzinárodnému tímu fyzikov sa prvýkrát podarilo preniesť polarizačný stav z fotóna vytvoreného jedným kvantovým bodom na fotón z druhého, nezávislého kvantového bodu. Výsledky zverejnil vedecký časopis Nature Communications.
Fotón sa pri experimente fyzicky nepresunul z jednej budovy do druhej. Vedci preniesli jeho kvantovú vlastnosť na iný fotón. Pôvodný stav sa pritom stratil, takže nevznikla druhá kópia. Takýto prenos navyše stále potrebuje bežné spojenie medzi oboma miestami, preto ho nemožno použiť na posielanie správ rýchlejšie než svetlo.
Kvantová teleportácia sama osebe nie je novinkou. Tentoraz však vedci prvýkrát uspeli s fotónmi vytvorenými dvoma odlišnými kvantovými bodmi. Práve ich spoluprácu sa dlhé roky nedarilo zvládnuť.
Kvantové body museli vedci najskôr „naladiť“
Kvantové body sú polovodičové štruktúry veľké iba niekoľko nanometrov. Dokážu vytvárať jednotlivé fotóny alebo páry previazaných fotónov. Každý vyrobený kus je však trochu iný. Aj nepatrná odchýlka v jeho štruktúre môže zmeniť frekvenciu svetla, časovanie impulzu alebo spôsob, akým fotón opustí zdroj.
Pri kvantovej teleportácii sa fotóny z oboch zdrojov musia správať takmer rovnako. Ak sa od seba príliš líšia, celý proces stratí potrebnú presnosť.
Neprehliadni
Vedci preto oba kvantové body dolaďovali pomocou magnetických polí, mechanického napätia pôsobiaceho vo viacerých smeroch a interakcie svetla s hmotou. Výsledok sa dá prirovnať k ladeniu dvoch hudobných nástrojov. Každý vznikol samostatne, no pred spoločným hraním musí znieť v rovnakej tónine.
Medzi budovami v Ríme fotóny bojovali aj s atmosférou
Experiment prebehol na kampuse Sapienza University v Ríme. Výskumníci vytvorili sieť, ktorá kombinovala optické vlákna s 270-metrovým spojením vo voľnom priestore medzi dvoma univerzitnými budovami.
Časť trasy fotóny prekonávali vo vlákne, ďalšiu cez vzduch. Svetelný lúč pritom ovplyvňovali zmeny teploty, vibrácie aj atmosférické turbulencie. Oba konce siete navyše museli pracovať s veľmi presným časovaním.
Výskumníci preto použili synchronizáciu podporovanú GPS, ultrarýchle detektory jednotlivých fotónov a aktívne stabilizačné systémy, ktoré priebežne korigovali pohyb optického lúča. Najvyššia dosiahnutá vernosť teleportovaného stavu bola 82 ± 1 %.
Vernosť ukazuje, nakoľko sa výsledný stav zhodoval s tým pôvodným. Hodnota prekročila hranicu možnú pri klasickom postupe o viac než desať štandardných odchýlok, takže výsledok nemožno rozumne vysvetliť náhodou.
Výhodou kvantových bodov je, že dokážu vytvárať fotóny pomerne spoľahlivo a v určenom okamihu. Budúca sieť by tak nemusela čakať, kým vhodný pár vznikne náhodou.
Na veľké vzdialenosti nestačí signál iba zosilniť
Optické vlákno svetlo postupne tlmí. Klasická telekomunikačná sieť tento problém rieši zosilňovačmi, ktoré signál prečítajú, obnovia a pošlú ďalej. Pri neznámom kvantovom stave by rovnaký postup nefungoval.
Meranie kvantový stav zmení a fyzikálne zákony neumožňujú vytvoriť jeho dokonalú kópiu. Dlhé spojenie preto potrebuje iný medzičlánok.
Riešením majú byť kvantové repeatery. Dlhú trasu rozdelia na kratšie úseky a následne ich prepoja. Fungovať majú ako medzičlánky, ktoré dostanú kvantovú informáciu ďalej bez jej skopírovania.
Rímsky experiment ešte nie je hotovým kvantovým repeaterom. Vedci zatiaľ ukázali jeden z potrebných krokov: fotóny z dvoch samostatných kvantových bodov dokázali zapojiť do rovnakého teleportačného procesu.
Ďalším cieľom bude výmena previazania medzi vzdialenými zdrojmi. Tá by umožnila spájať kratšie úseky kvantovej siete do jedného dlhšieho spojenia.
Kvantové body ešte nedosahujú výkon najlepších zdrojov fotónov
Autori štúdie otvorene priznávajú, že ich systém zatiaľ zaostáva za niektorými zaužívanými fotonickými metódami. Lepšiu kombináciu presnosti a úspešnosti dnes dosahujú napríklad zdroje založené na spontánnej parametrickej zostupnej konverzii, známej pod skratkou SPDC.
Pri tejto metóde laser v špeciálnom materiáli vytvorí dvojicu previazaných fotónov. Vznik páru je však náhodný, kým kvantový bod dokáže fotón vytvoriť na požiadanie.
Pred praktickým nasadením musia výskumníci zvýšiť jas zdrojov, obmedziť výpadky pri vyžarovaní a dosiahnuť lepšiu zhodu fotónov zo vzdialených bodov. Elektrické polia by mohli potlačiť šum v okolí polovodičovej štruktúry. Úpravy rezonátorov majú pomôcť s presnejším časovaním a vlastnosťami emitovaných fotónov.
Pri spojení cez vzduch bude potrebná výkonnejšia adaptívna optika, ktorá dokáže opravovať deformácie lúča spôsobené atmosférou. Ďalšou možnosťou je frekvenčná konverzia, ktorá by upravila fotóny tak, aby lepšie vyhovovali existujúcim telekomunikačným vláknam. Dnešné riešenia však stále prinášajú priveľa šumu a strát.
Podobný výsledok takmer súčasne dosiahol aj tím zo Stuttgartu a Saarbrückenu, ktorý použil frekvenčnú konverziu. Obe práce ukázali dve cesty, ako prepojiť samostatné kvantové zdroje.
K teleportovaniu ľudí má tento pokus stále veľmi ďaleko
Rímsky pokus nikoho nepreniesol z jednej budovy do druhej. Vedci pracovali iba s jedinou vlastnosťou jedného fotóna. Žiadna hmota nezmizla, neobjavila sa na inom mieste a nevznikla ani kópia pôvodného objektu.
Pri človeku by bolo treba zachytiť stav obrovského množstva častíc a celé telo znovu poskladať z inej hmoty. Už pri tejto predstave vzniká problém, na ktorý fyzika nemá praktickú odpoveď. A aj keby sa raz podarilo vytvoriť dokonale zhodné telo, stále by zostala otázka, či by išlo o toho istého človeka alebo iba o jeho kópiu.
Reálne využitie výskumu leží inde. Vedci chcú prepájať vzdialené kvantové zariadenia a prenášať medzi nimi kvantové stavy. Najbližší experiment má ukázať, či dokážu preniesť previazanie medzi dvoma vzdialenými kvantovými bodmi. Práve tento krok rozhodne, či sa z úspešného rímskeho pokusu raz stane základ siete, ktorá pošle kvantovú informáciu ďalej než dnes.
