Komunikacja przyrodnicza opublikowane badania międzynarodowego zespołu z Wits i ICFO — Instytutu Nauk Fotonicznych, które demonstrują transport „wzorów” światła na wzór teleportacji — jest to pierwsze podejście, które umożliwia przesyłanie obrazów przez sieć bez fizycznego wysyłania obrazu i kluczowy krok w kierunku realizacji sieci kwantowej dla wielowymiarowych stanów splątanych.

Komunikacja kwantowa na duże odległości jest integralną częścią bezpieczeństwa informacji i została zademonstrowana w przypadku dwuwymiarowych stanów (kubitów) na bardzo dużych odległościach między satelitami. Może się to wydawać wystarczające, jeśli porównamy to z jego klasycznym odpowiednikiem, czyli przesyłaniem bitów, które można zakodować w postaci jedynek (sygnał) i zer (brak sygnału), pojedynczo.

Jednak optyka kwantowa pozwala nam zwiększyć alfabet i bezpiecznie opisać za jednym razem bardziej złożone systemy, takie jak unikalny odcisk palca lub twarz.

„Tradycyjnie dwie komunikujące się strony fizycznie przesyłają informacje od jednej do drugiej, nawet w sferze kwantowej” – mówi prof. Andrew Forbes, główny badacz z Wits University.

„Teraz możliwe jest teleportowanie informacji w taki sposób, aby nigdy fizycznie nie przedostały się przez połączenie – jest to technologia „Star Trek”, która stała się rzeczywistością”. Niestety, jak dotąd teleportację wykazano jedynie w przypadku stanów trójwymiarowych (wyobraźcie sobie obraz trzypikselowy), dlatego też do osiągnięcia wyższych wymiarów potrzebne są dodatkowe splątane fotony.

W ramach tych badań zespół przeprowadził pierwszą eksperymentalną demonstrację kwantowego transportu stanów wielowymiarowych z zaledwie dwoma splątanymi fotonami jako zasobem kwantowym, w wyniku czego informacja wyglądała na „teleportowaną” od nadawcy do odbiorcy. Aby poczynić postępy, zespół zastosował nieliniowy detektor optyczny, który eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych fotonów, a jednocześnie działa w przypadku każdego „wzoru”, który należy wysłać.

Zgłaszają nowy, najnowocześniejszy model obejmujący 15 wymiarów, którego schemat można skalować do jeszcze wyższych wymiarów, torując drogę kwantowym połączeniom sieciowym o dużej pojemności informacyjnej.

Praktyczne zastosowania w bankowości

Wyobraź sobie klienta, który chce wysłać do banku poufne informacje – na przykład odcisk palca. W tradycyjnej komunikacji kwantowej informacja musi zostać fizycznie przesłana od klienta do banku, zawsze obarczona ryzykiem przechwycenia (nawet jeśli jest bezpieczna). W nowo zaproponowanym schemacie transportu kwantowego bank wysyła pojedynczy foton (jeden ze splątanej pary) bez żadnej informacji do klienta, który nakłada go na nieliniowy detektor z informacją, która ma zostać przesłana.

Dzięki temu informacja pojawia się w banku dokładnie tak, jakby została tam teleportowana. Żadna informacja nie jest nigdy fizycznie przesyłana pomiędzy obiema stronami, więc przechwytywanie jest bezowocne, podczas gdy połączenie kwantowe łączące strony jest ustanawiane poprzez wymianę splątanych kwantowo fotonów.

„Protokół ten ma wszystkie cechy teleportacji z wyjątkiem jednego istotnego składnika: wymaga jasnej wiązki lasera, aby detektor nieliniowy działał sprawnie, tak aby nadawca mógł wiedzieć, co ma zostać wysłane, ale nie musi o tym wiedzieć” – wyjaśnia Forbes .

„W tym sensie nie jest to wyłącznie teleportacja, ale mogłaby nią stać się w przyszłości, gdyby detektor nieliniowy stał się bardziej wydajny”. Nawet w obecnym kształcie otwiera nową ścieżkę łączenia sieci kwantowych, wprowadzając jako zasób nieliniową optykę kwantową.

„Mamy nadzieję, że ten eksperyment pokazujący wykonalność procesu motywuje do dalszego postępu w społeczności optyki nieliniowej poprzez przesuwanie granic w kierunku pełnej implementacji kwantowej” – mówi dr Adam Vallés z ICFO (Barcelona), jeden z kierowników projektu, który pracował nad eksperymentem podczas stażu podoktorskiego w Wits.

„Musimy teraz zachować ostrożność, ponieważ ta konfiguracja nie może uniemożliwić oszukańczemu nadawcy przechowywania lepszych kopii informacji do teleportacji, co oznacza, że ​​możemy skończyć z wieloma klonami pana Spocka w świecie Star Trek, jeśli tak właśnie zrobi Scotty poszukiwany.”

„Z praktycznego punktu widzenia konfiguracja, którą obecnie demonstrujemy, może już zostać wykorzystana do ustanowienia wielowymiarowego bezpiecznego kanału do komunikacji kwantowej między dwiema stronami, pod warunkiem, że protokół nie będzie musiał być zasilany pojedynczymi fotonami, jak miałoby to miejsce w przypadku w przypadku wzmacniaczy kwantowych.”

Uznanie doktoratu badania

Vallés dodaje: „Przeprowadzanie takich eksperymentów potwierdzających słuszność koncepcji przy użyciu obecnie dostępnej technologii było interesującą podróżą i dziękujemy dr Berenice Sephton z Wits za jej determinację i wszechstronny zestaw umiejętności potrzebnych do oswojenia takiej eksperymentalnej bestii. To to prawdziwe przedsięwzięcie laboratoryjne, za które należy ją pochwalić.”

Forbes podziela tę opinię: „To był bohaterski eksperyment i należy docenić dr Berenice Sephton, ponieważ to ona uruchomiła system i przeprowadziła kluczowe eksperymenty”.

Zespół planuje kontynuować prace w tym kierunku, a kolejny krok skupi się na transporcie kwantowym w sieci światłowodowej.