(Nyitókép: Uni Innsbruck/Harald Ritsch. További képek: Rawpixel.com, Pixabay)
A kvantum-számítástudomány vagy kvantuminformatika az utóbbi években gyorsan fejlődő, szerteágazó kutatásfejlesztési terület. Nemcsak kvantumkomputerekből áll – persze azok az alap –, hanem kvantumszenzorokból, kvantumhálózatokból, szoftveres szinten pedig a rendszert működtető programokból, algoritmusokból. Komplex és ígéretes jövőjű, a fantáziát megmozgató terület, de egyelőre inkább csak remény, mert a bámulatos fejlődés ellenére sincs még széles körben használható, „valóvilágbeli” problémákat megoldó kvantumszámítógép.
Kvantumhálózatokról is inkább elméleti, kísérleti, semmint megvalósulási szinten beszélhetünk jelenleg. A kvantum-összefonódáson alapuló tervezett, felvázolt telekommunikációs infrastruktúrában az adatokat bináris kódok helyett qubitek reprezentálják. Ha megvalósul, a jelenlegi sávszélesség megsokszorozódik, a hálózatok biztonságát pedig a kvantumkriptográfia (a terület mostani legfejlettebb ága) garantálja.
Negyedszázada rakták le az alapokat
Az Innsbrucki Egyetem úttörőszerepet játszik a kvantumhálózatok kutatásában. Mintegy negyedszázada az osztrák felsőoktatási intézmény elméleti fizikusai javaslatot tettek kvantuminformáció kvantumismétlőkön keresztüli nagy távolságra juttatására. A koncepció alapozza meg a majdani globális kvantuminformációs hálózatot, kvantuminternetet.
A kvantumhálózatok kvantumprocesszorokat vagy kvantumérzékelőket kötnek össze egymással. Gyors kommunikációt és nagyteljesítményű elosztott szenzorhálózatokat tesznek lehetővé. A hálózati csomópontok között az optikai hullámvezetőkön áthaladó fotonok biztosítják a kvantuminformáció továbbítását. Nagy távolságon viszont drasztikusan megnő a fotonok elvesztésének lehetősége, azaz összeomolhat, működésképtelenné válhat a rendszer.
Az Innsbrucki Egyetem kutatói negyedszázada erre a problémára találták ki a kvantumismétlő alaptervét. Azért van szükség ismétlőre, mert a kvantuminformációt lehetetlen egyszerűen másolni, felerősíteni. Egy ismétlő fényanyag-összefonódási forrásokat és memóriákat tartalmaz, amelyekkel független hálózati kapcsolatokban hozható létre összefonódás. Úgynevezett összefonódási cserével kapcsolódnak egymáshoz, ezzel válik lehetővé az összefonódás nagy távolságra történő elosztása.
Innsbruck, 2023
Most, negyedszázaddal később, az egyetem Kísérleti Fizika Tanszékének szakemberei a telekommunikációs hálózatok szabvány sávszélességéhez építettek kvantumismétlő-csomópontot, és ötven kilométerre továbbították a kvantuminformációt.
Az ismétlőcsomópont biztosítja a szabványos fotonos összefonódást. Optikai rezonátoron belüli ioncsapdába „csalt” két kalciumionból áll, a távközlési hullámhosszra foton-átalakítás ad lehetőséget. A kvantuminformáció továbbítását örven kilométernél hosszabb optikai szálon valósították meg, az ismétlőt pontosan a kezdő- és a végpont közötti táv felezőpontjára helyezték.
A kutatók kiszámították, hogy a terv finomhangolásával a kvantuminformáció Innsbruckból Bécsbe, de akár nyolcszáz kilométerre is eljuttatható.
