Activitatea de cercetare a ciudatului fenomen cunoscut sub numele de inseparabilitate cuantică (quantum entanglement), descris de către Albert Einstein ca fiind o „acţiune fantomatică la distanţă", ar putea să revoluţioneze tehnica de calcul în următorii ani. Ea ar putea asigura obţinerea de calculatoare ultrarapide şi a unor comunicaţii securizate pe distanţe lungi.
Activitatea cercetătorilor este finanţată de UE şi presupune desfăşurarea unor activităţi inovatoare în domeniul tehnologiei cuantice. Recent, o echipă de cercetători a anunţat descoperirea unei inovaţii, de mare importanţă, în ceea ce priveşte extinderea domeniului de utilizare al comunicaţiilor cuantice.
Fenomenul de inseparabilitate cuantică apare atunci când particule, precum fotonii sau electronii, interacţionează fizic şi apoi, după ce sunt separate, ele rămân strâns conectate între ele, chiar dacă se află la o distanţă de mii de kilometri. Acest fenomen sfidează modul în care înţelegem şi percepem lumea ce ne înconjoară. Astfel, o particulă aflată la Tokyo, dacă este măsurată de către un observator, va transmite într-un mod instantaneu starea sa exactă către perechea sa omologă, de care este inseparabilă cuantic, aflată la Bruxelles.
O pereche de sisteme cuantice, ce utilizează fotoni inseparabili cuantic, poate fi folosită ca un canal de transmisie a informaţiilor cuantice pentru efectuarea de calcule computerizate, comunicaţii şi activităţi de criptografie care sunt imposibil de obţinut în cadrul sistemelor clasice. Deoarece perechile de fotoni sunt intrinsec conectate, această tehnică are o aplicabilitate de perspectivă în ceea ce priveşte asigurarea de comunicaţii complet securizate şi de mare fidelitate (atunci când un foton este măsurat, el modifică instantaneu starea celuilalt foton de care este inseparabil cuantic, ca şi cum acesta ar fi măsurat). În plus, în cazul în care semnalul transmis a fost interceptate de către o terţă parte, acest fapt ar fi imediat detectat, deoarece în acest caz inseparabilitatea cuantică ar fi distrusă de eventuala interceptare a mesajului. Odată ce fenomenul de inseparabilitate cuantică este anulat, acesta nu se mai poate restaura. Toate aceste proprietăţi cuantice deschid noi perspective pentru obţinerea de noi aplicaţii în acest domeniu.
„Aplicaţiile tehnologiilor cuantice se află încă într-o fază incipientă. Prin urmare, este posibil să nu fim încă conştienţi de aplicaţiile viitoare ale acestor tehnologii", afirmă profesorul Nicolas Gisin din cadrul Group of Applied Physics al University of Geneva din Elveţia. „Aceste aplicaţii viitoare ale tehnologiilor cuantice ar părea oamenilor din prezent ca o formă de magie".
Calculatoarele cuantice ne-ar putea permite să rezolvăm o problemă din domeniul criptanalizei informatice, de exemplu, prin analiza tuturor combinaţiile posibile de intrare, în acelaşi timp, în cadrul unui algoritm de decriptare a codurilor informatice. Prin utilizarea calculatoarelor actuale, operaţia de decriptare ar putea dura ani de zile datorită verificării fiecărei combinaţii posibile de intrare, în timp ce computerele cuantice le verifică pe toate în acelaşi timp. De asemenea, inseparabilitatea cuantică ne-ar putea permite realizarea unor comunicaţii instantanee sau chiar teleportarea unor obiecte solide dintr-un loc în altul.
Profesorul Gisin şi o echipă de cercetători din patru ţări europene, Franţa, Germania, Suedia şi Elveţia, au făcut un pas important înainte pentru ca magia tehnologiei cuantice să devină realitate. Ei se aşteptă ca activitatea lor să contribuie la dezvoltarea de aplicaţii comerciale în domeniul tehnologiei comunicaţiilor cuantice din următorii 10 ani.
Activitatea desfăşurată în cadrul proiectului „Repetoare cuantice pentru comunicaţii cuantice, pe bază de fibră optică, pe distanţe lungi" (Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication, QUREP), a fost finanţată cu 1,9 milioane EUR de către Comisia Europeană. S-au obţinut progrese importante în vederea realizării unui repetor cuantic care poate amplifica semnalele cuantice pe distanţe mai mari, ceea ce face ca comunicaţiile cuantice pe distanţe mari să fie mai aproape de realitate.
Comunicaţiile cuantice s-au dovedit a fi posibil de realizat pe distanţe mici, dar metodele propuse pentru a separa perechile de fotoni pe distanţe mai mari au eşuat, de multe ori, până în prezent. Cercetătorii implicaţi în proiectul QUREP au făcut paşi importanţi în vederea rezolvării acestei probleme prin dezvoltarea componentelor de bază din cadrul unui repetor cuantic. Un repetor cuantic este similar cu repetoarele utilizate în comunicaţiile obişnuite din prezent şi rolul său este de a amplifica un semnal de intrare şi de a-l transmite mai departe în cadrul unui canal de comunicaţie, astfel încât semnalul să nu-şi reducă intensitatea în timpul transmisiei.
„Repetoarele cuantice sunt componentele de bază ale comunicaţiilor cuantice pe distanţe lungi. Ele trebuie să permită propagarea fenomenului de inseparabilitate cuantică de-a lungul a zeci de kilometri distanţă, proces ce implică utilizarea memoriilor cuantice ce înregistrează schimbarea de stare a doi fotoni inseparabili cuantic. Ne-am concentrat pe memoriile cuantice, care, în prezent, reprezintă cea mai mare provocare", explică profesorul Gisin. „Rezultatele sunt foarte încurajatoare, deşi este clar că mai sunt multe de făcut pentru a aduce această tehnologie la un nivel adecvat pentru aplicaţii industriale".
Echipa a dezvoltat memorii cuantice în cadrul cristalele dopate cu ionii pământurilor rare, cele care absorb un foton pe partea de intrare a semnalului şi emit un nou foton având caracteristici identice în procesul de inseparabilitate cuantică, pe de altă parte.
„Lăţimea de bandă a memoriilor cuantice reprezintă o mare provocare", afirmă profesorul Gisin. „Memoriile noastre cuantice au o lăţime de bandă relativ mare în comparaţie cu soluţiile alternative. Cu toate acestea, ele sunt limitate la câteva sute de megahertzi (MHz). Prin urmare, dezvoltarea surselor de fotoni inseparabili cuantic având lăţimi de bandă mare şi o stabilitate ridicată a fost una din provocările noastre. Prin depăşirea acestor dificultăţi de ordin tehnologic, am putea demonstra inseparabilitatea cuantică dintre două memorii cuantice".
În teste, echipa de cercetători a reuşit ca un foton semnal, trimis către un cristal, să fie memorat în acesta, în timp ce un foton pereche, cunoscut sub numele de foton de ghidare, a fost ţinut în spatele acestuia. Fotonul semnal putea fi apoi detectat în laborator la o distanţă de 50 de metri faţă de Group of Applied Physics şi care atunci când este măsurat prezintă, cu o precizie absolută, rezultatul măsurătorii fotonului de ghidare.
„Prin utilizarea unui număr mare de ioni se îmbunătăţeşte mult cuplajul dintre fotoni şi memorie, atât pentru înregistrarea cât şi pentru citirea datelor. Noi lucrăm la o temperatură de aproximativ 3 grade Kelvin, o temperatură destul de uşor de atins şi compatibilă cu cele mai bune detectoare supraconductoare de fotoni", spune profesorul Gisin. „Nu sunt multe proiecte care pot aduce laolaltă atâtea tehnologii inovatoare şi competenţa practică necesară pentru a demonstra funcţionarea repetoarelor cuantice. Şi totuşi este ceea ce proiectul QUREP a reuşit, cu siguranţă, să demonstreze".
Cu toate acestea, pentru ca tehnologia cuantică să poată fi aplicată şi în cadrul aplicaţiilor din lumea reală, este necesar să se depăşească mai multe dificultăţi importante ce apar în acest caz.
„Dificultăţile la care trebuie să găsim o soluţie se referă la timpii memoriilor (de până la o secundă), randamentul mai mare (de până la 80%) şi surse de semnal mai eficiente. Chiar şi atunci când acestea vor fi obţinute, va fi foarte dificil să reuşim să le facem să funcţioneze împreună", recunoaşte profesorul Gisin.
Membrii grupului de cercetare a tehnologiilor cuantice, ce sunt conducători ai unor institute de cercetare şi ale unor companii, au de gând să continue cercetările lor asupra repetoarelor cuantice şi de a stabili modalităţile prin care rezultatele obţinute pot fi transferate şi în cadrul aplicaţiilor industriale.
Pentru ca aplicaţiile comerciale ale tehnologiei cuantice să se materializeze, conducătorul QUREP prevede că este necesară demonstrarea fezabilităţii repetoarelor cuantice în ceea ce priveşte comunicarea directă, precum şi o analiză detaliată a modului prin care acestea pot fi dezvoltate cu costurile de producţie cât mai mici.
„Cred că toate acestea sunt fezabile, dar este încă nevoie de ceva timp pentru ca ele să fie acceptate", spune el. „Decalajul existent între cercetare şi industrie este foarte mare. Cred că am făcut un mare pas înainte pentru a reduce acest decalaj, deşi un al doilea pas, având aceeaşi importantă, este încă necesar înainte ca un proiect de inginerie să permită dezvoltarea unui produs comercial. În primul pas, realizat în timpul proiectului QUREP, am identificat cu exactitate provocările care trebuie să fie depăşite şi am propus metode promiţătoare prin care ele pot fi depăşite".
Traducere de Cristian-George Podariu după crystal-quantum-memories cu acordul editorului
