Znaczący krok w kierunku stworzenia funkcjonalnego Internetu kwantowego poczyniono poprzez opracowanie nowego kubitu molekularnego zdolnego do przesyłania informacji kwantowej za pośrednictwem istniejących sieci światłowodowych. Naukowcy opracowali kubit na bazie erbu, pierwiastka ziem rzadkich, wykorzystując jego unikalne właściwości optyczne i magnetyczne, aby wypełnić lukę między obliczeniami kwantowymi a tradycyjną infrastrukturą telekomunikacyjną.
Problem kwantowego przesyłania danych
Obecne ograniczenia w komunikacji kwantowej wynikają z kruchości kubitów i trudności w przesyłaniu ich delikatnych stanów kwantowych na duże odległości. W przeciwieństwie do klasycznych bitów, które są stabilne jako binarne jedynki lub zera, kubity istnieją w superpozycji stanów, reprezentujących jednocześnie wiele wartości. Ta właściwość, choć przydatna w obliczeniach, czyni je podatnymi na dekoherencję, czyli utratę informacji kwantowej podczas transmisji. Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy zbadali różne technologie kubitowe, w tym obwody nadprzewodzące, uwięzione jony i fotony. Nowy kubit erbowy to podejście hybrydowe, które łączy stabilność kubitów spinowych z możliwościami transmisji kubitów fotonicznych.
Erb: uniwersalny blok kwantowy
Nowy kubit wykorzystuje zdolność atomu erbu do magnetycznego przechowywania informacji kwantowej podczas jej optycznego odczytu. Ta podwójna funkcjonalność ma kluczowe znaczenie: spin magnetyczny koduje wartość kubitu, a właściwości optyczne umożliwiają jego odczyt przy użyciu standardowych technik spektroskopowych. Zaletą stosowania erbu jest jego kompatybilność z długościami fal telekomunikacyjnych, czyli standardowymi częstotliwościami stosowanymi w sieciach światłowodowych.
„Cząsteczki te mogłyby pełnić rolę pomostu w skali nano między światem magnetyzmu a światem optyki” – wyjaśnia Leah Weiss, współautorka badania. „Informacje można zakodować w stanie magnetycznym cząsteczki, a następnie uzyskać do nich dostęp za pomocą światła o długości fali zgodnej z dobrze rozwiniętymi technologiami leżącymi u podstaw sieci światłowodowych i krzemowych obwodów fotonicznych”.
Skalowanie sieci kwantowych
Możliwość pracy na falach telekomunikacyjnych rozwiązuje dwa kluczowe problemy: minimalną utratę sygnału na dużych dystansach i bezproblemową integrację z chipami krzemowymi. Krzem jest przezroczysty dla tych częstotliwości, co pozwala na przechodzenie sygnałów optycznych bez absorpcji. Oznacza to, że dane kwantowe można wbudować w istniejący sprzęt, torując drogę dla bardziej kompaktowych urządzeń.
Struktura molekularna kubitu, który jest około 100 000 razy mniejszy od ludzkiego włosa, również pozwala na precyzyjną kontrolę i skalowalność. Naukowcy mogą dostroić właściwości kubitu za pomocą chemii syntetycznej, dzięki czemu można go dostosować do urządzeń półprzewodnikowych, a nawet środowisk biologicznych.
Przyszłe konsekwencje
Ten przełom stanowi ważny krok naprzód w sieciach kwantowych. Możliwość bezpośredniej integracji technologii kwantowych z istniejącą infrastrukturą mogłaby przyspieszyć rozwój ultrabezpiecznych łączy komunikacyjnych i kwantowych sieci komputerowych dalekiego zasięgu. Według Davida Avshaloma, głównego badacza projektu: „Wykazując wszechstronność kubitów molekularnych erbu, robimy kolejny krok w kierunku skalowalnych sieci kwantowych, które można podłączyć bezpośrednio do nowoczesnej infrastruktury optycznej”.
Opracowanie nowego kubitu przybliża marzenie o w pełni funkcjonalnym Internecie kwantowym do rzeczywistości, obiecując przyszłość, w której bezpieczna komunikacja kwantowa na duże odległości nie jest już teoretyczną możliwością, ale praktyczną możliwością.
