Kvanttitilan siirto ja kvantti-internetti

Tulevaisuuden kvanttitietotekniikassa herkkiä kvanttitiloja on siirrettävä kaukaisten kvanttibittien välillä. Zürichin ETH:n Andreas Wallraffin johtama tutkijaryhmä on onnistunut välittämään kvantti-informaatiota hallitusti ja tehokkaasti kahden kvanttibitin välillä. Aiemmissa kokeissa siirto on onnistunut vain sattumanvaraisesti.

Kvanttibittien siirron ongelmana on, että stationaarisen kubitin tila on ensin muutettava ns. "lentäväksi" kubitiksi, esimerkiksi fotoniksi ja sitten takaisin stationaariseksi kubitiksi. Wallraff ja hänen työtoverinsa ovat realisoineet tällaisen siirron yhdestä suprajohtavasta kiinteän tilan kubitista toiseen noin metrin etäisyydelle.

Fyysikot yhdistivät kaksi suprajohtavaa kubittipiiriä koaksiaalikaapelilla. Ensimmäisen kubitin kvanttitila siirrettiin ensin resonaattorin mikroaaltofotoniin käyttäen hyvin tarkasti säädettyjä mikroaaltopulsseja. Resonaattorista fotoni saattoi sitten lentää koaksiaalikaapelin läpi toiseen resonaattoriin, jossa mikroaaltoimpulsseilla kvanttitila siirretään toiselle kubitille.

"Kvanttitilojen siirtonopeus on yksi kaikkien aikojen suurimpia ja 80% siirtosaanto on erittäin hyvä protokollan ensimmäisessä toteutuksessa", toteaa Andreas Wallraff. Tekniikkansa avulla tutkijat kykenivät myös luomaan kvanttimekaanisen lomittumisen kubittien välillä jopa 50 000 kertaa sekunnissa.

Kvanttimekaaninen lomittuminen luo linkin kahden kvanttiobjektin välille myös suurilla etäisyyksillä, ominaisuus, jota käytetään salaukseen tai kvanttiteleportaatioon.

Kvanttilomittumisella kvantti-internetti

Delftin teknillisen yliopiston QuTechin tutkijat ovat puolestaan onnistuneet luomaan kvanttilomittumisen kahden kvanttisirun välillä nopeammin kuin lomittuminen menetetään.

Ronald Hansonin johtamat tutkijat ovat ensimmäisinä tuottaneet tällaisen kvanttikytkennän hallitusti uudenlaisen lomittumisprotokollan ja häirinnän huolellisen suojauksen kautta. Tämä avaa tien yhdistää useita kvanttisolmuja ja luoda ensimmäisen kvanttiverkko maailmassa.

Kvanttilomittumista hyödyntämällä on teoreettisesti mahdollista rakentaa kvantti-internet, jota ei voida salakuunnella. Kuitenkin sellaisen toteuttaminen vaatii luomaan lomittumisen luotettavasti "tarpeen mukaan" ja ylläpitämään sitä riittävän kauan, jotta saataisiin siirrettyä lomitettu informaatio seuraavaan solmuun.

Vuonna 2015 Ronald Hansonin tutkimusryhmä teki pitkäikäisen kvanttilomittumisen 1,3 kilometrin etäisyydellä mutta silloin yhteys syntyi varsin satunnaisesti.

Tutkijat ovat sittemmin tehneet useita parannuksia kokeisiinsa kuten uudenlaisen lomittumismenetelmän. Se mahdollistaa lomittumisen luonnin neljäkymmentä kertaa sekunnissa elektronien välillä kahden metrin etäisyydellä.

Tutkijat osoittivat jo viime vuonna, että he pystyivät suojelemaan kvanttilomittuneen linkin samalla kun uusi yhteys syntyi. Yhdistämällä tämä ja uudet tulokset he ovat valmiita luomaan kvanttiverkkoja, joissa on enemmän kuin kaksi solmua.

Delftin tutkijat aikovatkin toteuttaa tällaisen verkon useiden kvanttisolmujen välillä. Suunnitelmissa on yhdistää Alankomaissa neljä kaupunkia vuoteen 2020 mennessä kvanttilomittumisen avulla. Kyseessä olisi maailman ensimmäinen kvanttiverkko.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttipohjainen tiedonsiirto tehostuu

Tiedonsiirtoa kvanteittain