Comunicaţiile cuantice. Noi progrese

Pentru a construi un Internet cuantic – o super-reţea de computere care ar fi mai rapidă şi mai sigură decât actualul Internet – cheia constă în abilitatea de a transmite informaţia cuantică între computere cuantice aflate la distanţă (adică noduri).

Cea mai obişnuită abordare include "corelarea" (eng.entangling) legăturilor dintre noduri şi folosirea, apoi, a unor repetoare cuantice în poziţii intermediare pentru a realiza transferul corelării cuantice (entanglement swapping), mărind raza de corelare cuantică de-a lungul unor reţele cu lungime de ordinul kilometrilor.

În imagine este ilustrată noua schemă de comunicare cuantică, în care informaţia este transmisă direct de la un nod la altul folosind un transmiţător şi un receptor. Oamenii de ştiinţă au calculat că noua abordare ar putea permite rate de transmitere de câteva ordine de magnitudine mai rapide decât în cazul altor abordări.
Credit: W. J. Munro, et al. ©2012 Macmillan Publishers Limited.

Într-un astfel de sistem, performanţa este limitată inerent de timpul necesar stabilirii corelării cuantice între noduri. Acest timp este în cel mai bun caz timpul clasic de semnal dintre noduri, dar pentru multe scheme este şi mai mare şi se măreşte cu mărirea reţelei. Deoarece qubiţii care înmagazinează informaţia cuantică sunt instabili şi se descompun rapid, memoriile cuantice sunt necesare pentru a înmagazina informaţia cuantică pentru intervale de milisecunde sau mai mari, în timp ce se realizează corelarea cuantică. Rezultatul este o limitare teoretică de viteză datorită construcţiei sistemului şi nevoii de componente suplimentare – memorii cuantice – pentru a face posibilă o reţea funcţională.

Într-un nou studiu publicat în Nature Photonics, cercetătorii din Japonia şi Marea Britanie au venit cu un design alternativ pentru o reţea cuantică de comunicaţii care nu necesită nici corelare cuantică între noduri, nici memorii cuantice. În schimb, schema transmite informaţia cuantică criptată direct prin reţea, folosind dispozitive care se comportă ca repetoare cuantice (fără corelare cuantică) pentru a transmite şi primi informaţia între ele. Deoarece această abordare nu face uz de corelare cuantică, rata de comunicare nu este limitată de constrângerile convenţionale ce limitează ratele metodelor bazate pe corelare cuantică.

„Importanţa acestei realizări este că am eliminat nevoia de mesaje clasice pentru a semnala corelarea cuantică dintre nodurile adiacente”, a spus pentru Phys.org co-autorul Bill Munro de la NTT Basic Research Laboratories din Kanagawa şi National Institute of Informatics din Tokyo, Japonia. „Acest semnal clasic determină un timp de aşteptare pentru qubiţii din noduri până a putea şti dacă sunt sau nu corelaţi cuantic. În cazul acestor noduri repetoare separate de zeci de kilometri aceşti timpi de aşteptare au fost de ordinul microsecundelor. Aceasta înseamnă că aveam nevoie de memorii cuantice cu durate mari de viaţă (de milisecunde sau mai mari) pentru a înmagazina informaţia din acei qubiţi.

„Noua noastră schemă înlătură nevoia de memorii cuantice de lungă durată, pentru că nu urmărim să stabilim corelarea cuantică între noduri aflate la distanţă. În schimb trimitem un semnal criptat între noduri. Odată ce mesajul a părăsit un nod pentru a fi transmis următorului nod, resursele disponibile pentru primul nod sunt eliberate şi următorul mesaj poate fi trimis prin canal (chiar înainte ca al doilea nod să fi primit primul mesaj), astfel crescându-se rata la care poate fi transmisă informaţia. Abordările pe bază de corelare cuantică nu pot face acest lucru, aşa că singura opţiune pentru comunicaţii mai rapide este dispunerea în paralel a resurselor din nod.”

În cadrul noii abordări, informaţia este înmagazinată în qubiţi de materie, precum spin-urile electronilor, în unităţi de transmiţători sau receptori. Transmiţătorul ce conţine o sursă cu un singur foton, transferă informaţia de la qubitul de materie la qubitul fotonic. Apoi trimite qubitul fotonic printr-o fibră optică înspre receptor, ce conţine un detector cu un singur foton. Receptorul funcţionează invers, transferând informaţia de la qubiţii fotonici la qubiţii de materie.

Spre deosebire de schemele tradiționale, această nouă schemă nu necesită corelarea între qubiţii de materie din cele două noduri aflate la distanţă. Imediat ce transmiţătorul mută informaţia din qubitul de materie la qubitul fotonic, qubitul de materie nu mai este necesar, aşa că nu mai este nevoie de memoria cuantică pentru a înmagazina informaţia din qubit.

După completarea unui ciclu, qubitul de materie este verificat de erori folosind un cod cuantic de redundanţă. Deoarece pierderile pe canal şi deficienţele sursei/dectectorului sunt inevitabile, stările cuantice pot fi uşor degradate în timpul comunicaţiei cuantice. Codul de corecţie a erorii are rolul de a proteja împotriva acestei degradări prin măsurarea stărilor câtorva qubiţi de materie care poartă aceeaşi informaţie. Fizicienii au arătat că acest proces de criptare poate tolera pierderi în fotoni de până la 50 % în canalul cuantic dintre noduri, ceea ce permite nodurilor să fie plasate la o distanţă mai mare decât s-a crezut iniţial.

După ce codul de corecţie a erorilor verifică succesul transmisiei unui qubit, receptorul se comportă ca un transmiţător şi trimite informaţia mai departe la următorul nod din reţea. Cercetătorii au calculat că schema poate transmite date la o rată de 107 stări cuantice pe secundă şi poate opera la o distanţă de cel puţin 17 km între noduri. Cu 48 de noduri, informaţia poate fi transmisă la peste 800 km cu o probabilitate de succes de peste 98 %. Oamenii de ştiinţă au calculat că noua abordare ar putea permite rate de comunicaţie cu câteva ordine de magnitudine mai rapide decât în cazul altor abordări. Pe lângă viteză, noua schemă are şi alte avantaje:
„Soluţia noastră uşurează modul de a afla cum se poate trimite informaţia într-o reţea cuantică mai complexă”, a spus Munro. „Fiecare nod ar avea un număr precum cel de telefon şi putem avea schimburi de tipul celor telefonice care distribuie informaţia acolo unde trebuie să ajungă. Nodul care trimite mesajul original nu trebuie să cunoască ruta pentru destinaţia finală. În schimb, trebuie doar să comunice cu un punct de schimb local care poate distribui informaţia prin reţea folosind părţi din numărul de telefon corespunzătoare ţării, regiunii şi oraşului.”

În viitor, cercetătorii au în vedere abordarea dificultăţilor tehnice care vin împreună cu noua schemă cuantică de comunicaţie.

„Viitoarele noastre planuri includ o implementare experimentală a acestei noi abordări” a precizat Munro. „Lucrăm la moduri de a îmbunătăţi porţile locale în sistemul fizic – un pas necesar pentru a demonstra noua noastră schemă de comunicaţii.”

„Elementul cheie necesar în această abordare este nevoia unor porţi cuantice eficiente în interiorul nodului repetor”, a adăugat el. „În abordarea normală bazată pe corelarea cuantică, putem lucra cu porţi care eşuează deseori în mod previzibil. Porţile cuantice eficiente sunt greu de obţinut, dar trebuie realizate dacă computerele cuantice distribuite vor deveni o realitate.”

Traducere după quantum-entanglement-faster-previously-thought de Răzvan Gavrilă, cu acordul editorului