Latajace Qudits: Odblokowanie Nowych Wymiarów Komunikacji Kwantowej

Figura 1. Foton sygnałowy, manipulowany przez zintegrowany układ fotoniczny, tworzy 4-wymiarowy kwdit reprezentowany przez zestaw pomarańczowych kul. Tymczasem foton pomocniczy, reprezentowany przez niebieską kulę, działa jako pilot zdalnego sterowania dla fotona sygnałowego. Credit: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge, and Liang Feng, edited

Naukowcy opracowali przełomową metodę transmisji informacji kwantowej przy użyciu cząstek światła zwanych kwditami, które wykorzystują tryb przestrzenny i właściwości polaryzacji, aby umożliwić szybszy, bardziej bezpieczny transfer danych i zwiększoną odporność na błędy.

Ta technologia może znacznie zwiększyć możliwości internetu kwantowego, zapewniając komunikację na dużą odległość, bezpieczną komunikację, prowadząc do rozwoju potężnych komputerów kwantowych i niełamliwego szyfrowania.

Naukowcy dokonali znaczącego przełomu w tworzeniu nowej metody przesyłania informacji kwantowej przy użyciu cząstek światła zwanych kwditami. Te kwdity obiecują przyszły internet kwantowy, który jest zarówno bezpieczny, jak i potężny.

Tradycyjnie, informacje kwantowe są kodowane na kubitach, które mogą istnieć w stanie 0, 1 lub obu jednocześnie (superpozycja). Ta cecha czyni je idealnymi do skomplikowanych obliczeń, ale ogranicza ilość danych, które mogą przenosić w komunikacji. Natomiast kwdity mogą kodować informacje w wyższych wymiarach, przesyłając więcej danych na raz.

Kubity i kwdity są jednostkami informacji kwantowej, ale różnią się przede wszystkim pojemnością przechowywania informacji. Kubit, podstawowa jednostka używana w obliczeniach kwantowych, może istnieć w dwóch stanach jednocześnie dzięki superpozycji kwantowej, zazwyczaj reprezentowanej jako 0 i 1, podobnie jak bity w klasycznych obliczeniach. Pozwala to na bardziej efektywne wykonywanie złożonych obliczeń niż klasyczne bity.

Z drugiej strony, kwdity są uogólnieniem kubitów i mogą istnieć w stanie d jednocześnie, gdzie d > 2. Ta wyższa wymiarowość pozwala kwditom przechowywać więcej informacji niż kubity, co potencjalnie prowadzi do bardziej efektywnego przetwarzania i przesyłania danych w systemach kwantowych, ponieważ mogą wykonywać operacje wymagające wielu kubitów przy mniejszej liczbie kwditów, zwiększając wydajność i redukując złożoność algorytmów kwantowych.

Nowa technika korzysta z dwóch właściwości światła – trybu przestrzennego i polaryzacji – aby tworzyć czterowymiarowe kwdity. Te kwdity są budowane na specjalnym chipie, który pozwala na precyzyjną manipulację. Ta manipulacja przekłada się na szybsze prędkości transferu danych i zwiększoną odporność na błędy w porównaniu z konwencjonalnymi metodami.

Jedną z kluczowych zalet tego podejścia jest zdolność kwditów do utrzymywania swoich właściwości kwantowych na dużych odległościach. Czyni to je doskonałym rozwiązaniem do zastosowań takich jak komunikacja kwantowa oparta na satelitach, gdzie dane muszą podróżować na ogromne odległości bez utraty integralności.

Figura 2. (a) Eksperymentalnie uzyskane (górny rząd) i teoretycznie przewidziane (dolny rząd) macierze gęstości dwóch wybranych stanów kwantowych. (b) Teoretyczna (lewy panel) i eksperymentalnie uzyskana (prawy panel) macierz prawdopodobieństwa detekcji. Credit: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge, and Liang Feng

Proces zaczyna się od wytworzenia specjalnego stanu splątanego przy użyciu dwóch fotonów. Splątanie jest zjawiskiem, w którym dwie cząstki stają się połączone, dzieląc ten sam los niezależnie od fizycznego oddzielenia. W tym przypadku, jeden foton (foton sygnałowy) jest manipulowany na chipie do stworzenia 4-wymiarowego kwditu wykorzystując jego tryb przestrzenny i polaryzację. Drugi foton (foton pomocniczy) pozostaje niezmieniony i działa jako pilot zdalnego sterowania dla fotona sygnałowego (Fig. 1).

Manipulując fotonem pomocniczym, naukowcy mogą kontrolować stan fotona sygnałowego i kodować na nim informacje (Fig. 2).

Ta nowa metoda ma potencjał do zrewolucjonizowania dziedziny komunikacji kwantowej. Otwarcie drogi do szybkiego internetu kwantowego, który może przesyłać ogromne ilości danych bezpiecznie na duże odległości. Dodatkowo, może prowadzić do opracowania niełamliwych protokołów szyfrowania oraz przyczynić się do stworzenia potężnych komputerów kwantowych, zdolnych do rozwiązywania problemów poza zasięgiem komputerów klasycznych.

Obecnie naukowcy koncentrują się na poprawie dokładności kwditów oraz skalowaniu technologii, aby obsługiwać jeszcze wyższe wymiary. Wierzą, że to podejście ma potencjał, aby zrewolucjonizować komunikację kwantową.