Teleportarea cuantică prin fibră optică de la vis la realitate

Două echipe de oameni de ştiinţă au reuşit, în mod independent, să transmită informaţii cuantice de-a lungul unor rețele de fibră optică din Calgary, Canada și Hefei, China, ceea ce dovedeşte că teleportarea cuantică este reală şi că această tehnologie este fezabilă. Poate că în viitor aceasta ne va ajuta să construim sisteme de comunicaţii cuantice sigure pe distanţe ce vor acoperi oraşe întregi şi chiar continente.

Credit: ssguy/Shutterstock.com

Teleportarea cuantică se bazează pe un fenomen ciudat denumit inseparabilitatea cuantică (în engleză quantum entanglement). Practic, inseparabilitatea cuantică înseamnă că două particule sunt indisolubil legate între ele, astfel încât măsurarea stării cuantice a uneia dintre ele afectează imediat starea cuantică a celeilalte particule, indiferent de cât de departe se află acestea una de alta. Tocmai această caracteristică l-a făcut pe Einstein să descrie acest fenomen drept o „acţiunea înfricoşătoare la distanţă” (spooky action at a distance).

Pe baza acestui fenomen, teleportarea cuantică permite transferul stării cuantice a unei particule către particula sa pereche, indiferent de distanța dintre ele, fără vreo legătură fizică între acestea.

Teleportarea cuantică nu este precum teleportarea din serialul de televiziune Star Trek, deoarece doar informația cuantică poate fi transmisă, dar ea reprezintă totuși o modalitate foarte bună de a crea sisteme de comunicaţii sigure, criptate.

În urma a două experimente recente, care au fost anunţate în Nature Photonics, cercetătorii au obţinut rezultate similare folosind reţelele existente de fibră optică din Canada şi China pentru a transmite informaţia cuantică.

În anul 2012, cercetătorii din Austria au stabilit un nou record după ce au reuşit să teleporteze informația cuantică pe o distanţă de 143 de km cu ajutorul laserelor. Cu toate acestea, această tehnologie nu este la fel de utilă precum cea din experimentele din Canada şi China în care s-au utilizat rețelele existente de fibră optică.

Pentru a înţelege experimentele, cercetătorii ne propun următorul raţionament: să ne imaginăm că există trei persoane, de exemplu Alice, Bob şi Charlie, iar Alice şi Bob vor să facă schimb de chei criptografice, dar pentru aceasta au nevoie de ajutorul lui Charlie. Alice îi trimite o particulă lui Charlie, în timp ce Bob „leagă” două particule, dar îi trimite doar una dintre ele lui Charlie.

Charlie măsoară apoi starea celor două particule pe care le-a primit de la fiecare, astfel încât acestea nu mai pot fi diferențiate. Rezultă astfel că starea cuantică a particulei lui Alice a fost transferată la particula „legată” a lui Bob.

Practic, starea cuantică a particulei pe care a trimis-o Alice se transferă, în cele din urmă, la particula lui Bob prin intermediul particulelor lui Charlie.

Experimentul canadian s-a desfăşurat pe baza acestui principiu și astfel s-au transmis informații cuantice printr-o reţea de fibră optică pe o distanţă de 6,2 km.

„Distanța dintre Charlie și Bob este cea care contează”, a declarat Wolfgang Tittel de la University of Calgary din Alberta, cercetătorul principal al experimentului canadian.

„Am arătat că teleportarea cuantică funcționează într-o rețea de fibră optică metropolitană, pe o distanţă în line dreaptă de peste 6,2 km”, a adăugat Wolfgang Tittel.

Cercetătorii chinezi au reuşit să teleporteze informaţia cuantică pe o distanţă chiar mai mare, de peste 12,5 km, dar în acest caz Charlie a fost cel care a creat particulele „legate” și a trimis una dintre ele lui Bob.

Experimentul din China s-a dovedit mai precis şi metoda utilizată ar putea fi aplicată cel mai bine în cadrul unei rețele cuantice dintr-un oraș în care un computer cuantic central (Charlie) comunică cu o mulțime de alte computere (Alice și Bob).

Metoda utilizată în experimentul din Canada ar putea fi mai bună pentru transmiterea informaţiei cuantice pe distanțe mai mari, deoarece un computer Bob ar putea funcţiona ca un repetor cuantic, care trimite informația în mod repetat de-a lungul reţelei.

Dezavantajul ambelor experimente este acela că deocamdată viteza de transfer a informaţiei cuantice este foarte mică. Experimentul din Calgary s-a dovedit ceva mai rapid, cercetătorii reușind să trimită aproximativ 17 fotoni pe minut.

Chiar dacă mulți oameni presupun că teleportarea cuantică asigură o viteză de transfer a informaţiei mai mare, în realitate decriptarea stării cuantice a particulei „legate” necesită o cheie, care trebuie să fie trimisă în mod repetat printr-o conexiune lentă, astfel încât teleportarea cuantică nu ar fi de fapt mai rapidă decât Internetul pe care îl avem deja, ci doar mai sigur.

Oricum, faptul că ambele echipe de cercetători au reuşit să utilizeze infrastructura existentă de fibră optică, pentru a realiza o teleportare cuantică pe o distanță mare, este o realizare importantă.

Desigur, mai sunt necesare cercetări şi optimizări înainte să avem aplicaţii practice ale acestei tehnologii, dar, cu siguranţă, cercetătorii sunt acum mai aproape de acest deziderat.

Sursă: Science Alert