Laboratóriumi steril körülmények helyett a városi zajban tesztelték sikerrel a jövő kommunikációs hálózatát. Az amerikai NIST kutatói villanyoszlopokon futó, szélnek és rezgéseknek kitett optikai kábelen továbbítottak összefonódott fotonokat. A megmérettetés során bizonyították, hogy a kvantuminternet alapját jelentő törékeny részecskék a mindennapi fizikai behatások közepette is megőrzik különleges állapotukat.
Utcai oszlopok és viharos szél a kvantumállapotok ellen
A kvantumos információtovábbítás kísérleteit korábban jobbára védett, állandó hőmérsékletű laboratóriumokban vagy gondosan izolált föld alatti csatornákban végezték. Az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST), a Marylandi Egyetem és a Qunnect vállalat szakemberei Yicheng Shi fizikus vezetésével most közvetlenül az utcai infrastruktúrát vették használatba. A Gaithersburg és College Park között húzódó, 62 kilométer hosszú optikai kábelszakasz mintegy 70 százaléka a szabad ég alatt, távközlési oszlopokon függ. A hálózatot így folyamatosan éri a szél lökőereje, a hőtágulás, az áthaladó gépjárművek okozta vibráció, sőt a környezet egyéb változásai is.
Míg a hagyományos adathálózaton futó fényjelek az intenzitásuk változásával szállítanak adatot, és szinte immunisak a kábel enyhe megfeszülésére, a kvantumkommunikáció a fotonok polarizációjára támaszkodik. A legkisebb rezgés vagy hajlítás elfordíthatja a fény polarizációs síkját, ami azonnal megsemmisíti a részecskék közötti kényes kapcsolatot. Ennek ellenére a kísérlet bebizonyította, hogy a fizikai zavarok ellenére a jelátvitel fenntartható.
Aktív kompenzációval a vibráció és a zaj ellen
A kutatócsoport a siker érdekében olyan valós idejű stabilizációs rendszert alkalmazott, amely folyamatosan mérte a kábel fizikai alakváltozásait. A hálózaton átküldött referencia-fényjelek segítségével a berendezés azonnal észlelte a polarizáció eltolódását, és ellenfázisú korrekcióval korrigálta a kvantuminformációt. A megoldás hatékonyságát jelzi, hogy a 24 órás tesztidőszak alatt másodpercenként 200 és 1500 közötti összefonódott fotonpárt sikerült célba juttatni.
A kvantumos összefonódás meglétét az úgynevezett CHSH-egyenlőtlenség mérésével igazolták a szakemberek. A mérések több mint 20 órán keresztül folyamatosan igazolták a Bell-teszt szerinti kvantumos viselkedést. A tapasztalatok alapján az automatikus hibajavítás és a polarizációs kompenzáció képes ellensúlyozni a külvilágból érkező zavaró tényezőket anélkül, hogy a továbbított részecskék elveszítenék összekapcsolt állapotukat.
Meglévő infrastruktúrára épülő hálózati architektúra
A kísérlet gyakorlati jelentősége az infrastruktúra kihasználhatóságában rejlik. Amennyiben a kvantuminternet kiépítéséhez teljesen új, speciálisan szigetelt kábelhálózatot kellene lefektetni a Földön, a költségek elképesztő magasságokba emelkednének. Az utcai oszlopokon futó kábelek alkalmassága viszont azt vetíti előre, hogy a távközlési szolgáltatók a már meglévő vezetékrendszereket is felkészíthetik a kvantumos adattovábbításra.
Ezt a megközelítést támogatják a Northwestern Egyetem párhuzamos kutatásai is, ahol a tudósok Evanston és Chicago között egy 24,4 kilométeres szakaszon igazolták, hogy a kvantumjelek a nagykapacitású, 800 gigabit per másodperces hagyományos internetes adatfolyammal együtt, ugyanazon az optikai szálon is képesek haladni. A kvantumos részecskék a spektrum egy csendesebb hullámhossz-tartományában futva több mint 94 százalékos hűséggel őrizték meg összefonódottságukat a tömeges adatforgalom mellett.
A jövőbeli kvantumnagykövetek és a gyakorlati alkalmazások
A kvantuminternet nem a mindennapi böngészést vagy a videóstreamelést hivatott felváltani. Elsődleges szerepe a feltörhetetlen kvantumos kulcselosztásban (QKD), a távoli kvantumszámítógépek összekapcsolásában, valamint az ultraprecíz tudományos mérőműszerek összehangolásában lesz. A szétosztott kvantumos számítási kapacitás révén összetett molekuláris modellezések és optimalizációs feladatok válhatnak elvégezhetővé.
A technológia széles körű elterjedéséhez ugyanakkor további fejlesztésekre van szükség. A másodpercenkénti néhány ezer fotonos átviteli sebességet a gyakorlati alkalmazásokhoz milliós nagyságrendre kell növelni, és elengedhetetlen a kvantumismétlők, valamint az atomi alapú kvantummemóriák finomítása is. A mostani városi teszt mindenesetre tisztázta, hogy a meglévő fizikai környezet nem jelent leküzdhetetlen akadályt.
Források:
