Ερευνητές στην Ολλανδία κατάφεραν να τηλεμεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες σε ένα απλό δίκτυο τριών κόμβων, μια «πρωτιά» που συνιστά σημαντικό βήμα προόδου για ένα μελλοντικό κβαντικό Ίντερνετ.
Το επίτευγμα κατέστη εφικτό χάρη στη βελτίωση της κβαντικής μνήμης και της ποιότητας των κβαντικών συνδέσμων ανάμεσα στους τρεις κόμβους του δικτύου. Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Ντελφτ και του Οργανισμού Εφαρμοσμένης Επιστημονικής Έρευνας (ΤΝΟ) της Ολλανδίας, με επικεφαλής τον Ρόναλντ Χάνσον, οι οποίοι έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Nature», διευκρίνισαν ότι η εκτεταμένη χρήση της τηλεμεταφοράς σε ένα κβαντικό δίκτυο θα απαιτήσει χρόνο, καθώς θα χρειαστούν αρκετές ακόμη τεχνικές πρόοδοι έως την τελική ανάπτυξη ενός μεγάλης κλίμακας κβαντικού διαδικτύου.
Το μελλοντικό κβαντικό διαδίκτυο θα βασίζεται στην ικανότητα του να στέλνει κβαντικές πληροφορίες (κβαντικά bits ή qubits) ανάμεσα στους κόμβους που το απαρτίζουν. Αυτό θα επιτρέψει διάφορες εφαρμογές όπως την απολύτως ασφαλή ανταλλαγή δεδομένων και εμπιστευτικών πληροφοριών, καθώς επίσης την ταυτόχρονη διασύνδεση αρκετών κβαντικών υπολογιστών και υψηλής ακριβείας κβαντικών αισθητήρων διαφόρων ειδών.
Οι κόμβοι ενός τέτοιου κβαντικού δικτύου αποτελούνται από μικρούς κβαντικούς επεξεργαστές. Η αποστολή κβαντικών πληροφοριών ανάμεσα σε αυτούς τους κόμβους-επεξεργαστές δεν είναι εύκολη υπόθεση. Η πιθανότητα να σταλούν κβαντικές πληροφορίες με τη χρήση σωματιδίων φωτός «σκοντάφτει» στις αναπόφευκτες απώλειες στα καλώδια των οπτικών ινών, ιδίως σε μεγάλες αποστάσεις, με συνέπεια τα σωματίδια αυτά να μην φθάνουν όλα στον προορισμό τους. Η απώλεια ενός σωματιδίου φωτός σημαίνει ότι θα χαθούν για πάντα πολύτιμες κβαντικές πληροφορίες.
Μια καλύτερη αλλά πιο «εξωτική» λύση είναι η τηλεμεταφορά κβαντικών πληροφοριών, που έχει ομοιότητες με την τηλεμεταφορά στην επιστημονική φαντασία: το κβαντικό bit εξαφανίζεται στην πλευρά του αποστολέα και εμφανίζεται ως δια μαγείας στην πλευρά του παραλήπτη. Καθώς η κβαντική πληροφορία δεν χρειάζεται να ταξιδέψει στον ενδιάμεσο χώρο, δεν υπάρχει περίπτωση να χαθεί, πράγμα που καθιστά την κβαντική τηλεμεταφορά κρίσιμη τεχνολογία για τη δημιουργία ενός κβαντικού Ίντερνετ.
Για να επιτευχθεί όμως η «μαγική» τηλεμεταφορά, υπάρχουν τρεις προϋποθέσεις: ένας σύνδεσμος κβαντικής διεμπλοκής ανάμεσα στον πομπό και στον δέκτη, μια αξιόπιστη μέθοδος για το «διάβασμα» των κβαντικών επεξεργαστών και η ικανότητα προσωρινής αποθήκευσης κβαντικών bits. Έως σήμερα είχε δειχθεί ότι είναι δυνατή η τηλεμεταφορά κβαντικής πληροφορίας ανάμεσα σε δύο γειτονικούς κόμβους. Τώρα, για πρώτη φορά, επιτεύχθηκε τέτοια τηλεμεταφορά ανάμεσα σε μη γειτονικούς κόμβους, με άλλα λόγια μέσα σε ένα δίκτυο. Τα κβαντικά bits ταξίδεψαν από τον κόμβο «Τσάρλι» στον κόμβο «Αλίκη», με τη βοήθεια του ενδιάμεσου κόμβου «Μπομπ».
Η τηλεμεταφορά συνίσταται σε τρία στάδια. Στο πρώτο στάδιο πρέπει να δημιουργηθεί μια κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής ανάμεσα στον «Τσάρλι» και στην «Αλίκη». Οι δύο αυτοί κόμβοι δεν έχουν άμεση φυσική σύνδεση μεταξύ τους, αλλά συνδέονται και οι δύο μέσω οπτικής ίνας με τον «Μπομπ». Η «Αλίκη» δημιουργεί κβαντική διεμπλοκή με τον «Μπομπ», ο οποίος ως ενδιάμεσος αποθηκεύει προσωρινά την κατάσταση αυτή. Στη συνέχεια, ο «Μπομπ» δημιουργεί ανάλογη κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής με τον «Τσάρλι», στον οποίο ο πρώτος στέλνει τις κβαντικές πληροφορίες της «Αλίκης». Τελικά, η «Αλίκη» και ο «Τσάρλι» βρίσκονται σε κβαντική διεμπλοκή χάρη στη μεσολάβηση του «Μπομπ» και άρα καθίσταται δυνατή η τηλεμεταφορά κβαντικών δεδομένων.
Στο δεύτερο στάδιο της διαδικασίας δημιουργείται το «μήνυμα» (κβαντικό bit) που θα τηλεμεταφερθεί, ενώ στο τρίτο βήμα λαμβάνει χώρα η ίδια η τηλεμεταφορά. Αυτή καθιστά εφικτό κάτι αδιανόητο στον κόσμο που βιώνουμε ως πραγματικότητα, αλλά που είναι δυνατό στον κβαντικό κόσμο: η πληροφορία εξαφανίζεται στη μεριά του «Τσάρλι» και αμέσως εμφανίζεται στην «Αλίκη». Το κβαντικό bit έχει επίσης κρυπτογραφηθεί κατά τη μεταφορά του.
Το επόμενο στάδιο ερευνών θα εστιάσει στην αντιστροφή των βημάτων ένα και δύο του πρωτοκόλλου τηλεμεταφοράς, έτσι ώστε πρώτα να δημιουργείται ή να λαμβάνεται το προς τηλεμεταφορά κβαντικό bit και μετά να γίνεται η προετοιμασία για την τηλεμεταφορά του.
Σχετικό βίντεο υπάρχει στο YouTube:
Σύνδεσμος για την επιστημονική δημοσίευση:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04697-y
