Viitorul internetului cuantic: comunicații coerente prin 250 km de fibră optică convențională

Viitorul tehnologiei cuantice nu implică ca fiecare locuință, companie sau entitate să dețină un computer cu capacități extraordinare. Viabilitatea sa depinde de rețea, de o rețea de conexiuni care să permită valorificarea avantajelor acestei noi computații cu computere cu capacitate individuală mai mică, din orice centru de cercetare sau corporativ și care, în ultimă instanță, să fie utilă utilizatorilor. Dar, pentru a crea această rețea, este necesar ca comunicațiile cuantice între mașini să fie posibile pe distanțe lungi, fără a depinde de infrastructuri costisitoare. O cercetare publicată în Nature avansează în această direcție, reușind în Germania distribuirea coerentă a informațiilor cuantice prin 250 de kilometri de cabluri de fibră optică convenționale, fără a fi necesară răcirea criogenică.

Mirko Pittaluga, autorul principal al cercetării și cercetător la Toshiba, și echipa sa consideră rezultatul un «record», nu doar pentru distanță, ci și pentru infrastructura utilizată și pentru coerența atinsă în comunicare. «Este fundamental pentru arhitectura internetului cuantic», afirmă ei.

Pentru Antia Lamas, responsabilă a Centrului de Rețele Cuantice de la Amazon Web Services (AWS) și care nu a participat la studiu, acest internet de nouă generație va fi eficient «atunci când toate capacitățile rețelei cuantice vor fi disponibile», iar implicațiile sale vor fi cruciale, după cum a explicat într-un interviu, «mai întâi în domeniul securității și, mai târziu, pentru a conecta computere cuantice și a le extinde potențialul». «Aceste rețele ne vor permite să implementăm capacități surprinzătoare», asigură ea.

Realizarea recentei cercetări nu este doar distanța comunicării, cei 250 de kilometri între orașele germane Frankfurt și Kehl. Aceeași echipă a obținut un rezultat similar între două puncte prin peste 600 de kilometri de cabluri. Principalul rezultat în această ocazie este menținerea coerenței comunicării cuantice utilizând o rețea de fibră optică subterană convențională și în condiții ambientale obișnuite.

Aceste două aspecte sunt esențiale, deoarece, până acum, implementarea comunicațiilor cuantice este limitată de necesitatea unor echipamente specializate, cum ar fi cele criogenice, pentru a atinge temperaturi apropiate de zero absolut, de care au nevoie particulele pentru a-și păstra proprietățile.

Cubiții, unitatea de bază a informației cuantice și cu o capacitate exponențial mai mare decât bitul convențional, sunt extrem de fragili și predispuși la erori din cauza interacțiunilor lor cu mediul. Expansiunea și contracția fibrelor optice din cauza schimbărilor în condițiile ambientale, cum ar fi fluctuațiile de temperatură, generează erori și le fac să-și piardă coerența.

Dar cercetarea publicată în Nature, în concordanță cu cele anterioare ale aceleiași echipe, a reușit să depășească această limitare importantă pentru viitorul internet cuantic. «Această demonstrație indică faptul că protocoalele avansate de comunicații cuantice care exploatează coerența luminii pot funcționa pe infrastructura de telecomunicații existentă», susțin cercetătorii.

«Cu noile tehnici pe care le-am dezvoltat, sunt încă posibile noi extinderi ale distanței de comunicare pentru QKD [Quantum Key Distribution sau distribuția de chei cuantice], iar soluțiile noastre pot fi aplicate și altor protocoale și aplicații de comunicații cuantice», a afirmat Pittaluga după recordul de 600 de kilometri.

Înainte de acest experiment, cercetătorii au simulat condițiile în laborator, dar într-un mediu cu temperatură controlată. Cu toate acestea, aceste teste anterioare au arătat mai multe fluctuații. În condiții reale de comunicare, echipa a reușit să păstreze sistemul. «În sistemele de comunicații cuantice, menținerea coerenței între stările cuantice codificate de diferiți utilizatori este crucială pentru performanța sistemului și minimizarea erorilor», detaliază ei în lucrare.

Carlos Sabín, cercetător Ramón y Cajal în departamentul de Fizică Teoretică al Universității Autonome din Madrid (UAM) și care nu a participat la studiu, apreciază rezultatele în Science Media Centre España: «Cel mai nou aspect al acestor noi rezultate este că se folosește fibra optică comercială deja existentă și nu se adaugă tehnologie mai sofisticată și obișnuită în laboratoarele de fizică cuantică, cum ar fi cavități sau refrigeratoare pentru temperaturi ultra-joase. Biții cuantici utilizați sunt fotoni generați cu lasere, în contrast, de exemplu, cu alte experimente anterioare, cum ar fi cel publicat anul trecut în Nature, în care se genera entanglement cuantic în Boston între sisteme experimentalmente mai complicate, inclusiv utilizarea cavităților. Aceste sisteme ar putea fi mai adecvate pentru construirea memoriilor cuantice, dar utilizarea fotonilor optici permite, în schimb, realizarea comunicațiilor cuantice la distanțe foarte mari».

Fizicianul amintește un alt studiu recent, publicat în Optica, care testa teleportarea cuantică cu fotoni și, de asemenea, în fibră optică convențională și în uz, deși la o distanță mult mai mică, de aproximativ 30 de kilometri, și cu rate de eroare de 10%.

«Aceste noi rezultate», adaugă Sabín în legătură cu publicația de miercuri, «cu rate mici de eroare în jurul a 5%, reprezintă un pas înainte în posibilitatea creării de rețele de comunicații bazate pe fizica cuantică și integrate în tehnologia de fibră optică deja existentă în orașele noastre, deși este necesar să precizăm că ne-am afla încă într-o etapă foarte preliminară de dezvoltare».

Echipa lui Pittaluga consideră că a atins un punct fundamental pentru internetul cuantic: «Lucrarea noastră demonstrează compatibilitatea comunicațiilor cuantice bazate pe coerență cu infrastructura de rețea existentă și implementarea practică a unui repetor cuantic eficient pe rețele comerciale. De asemenea, am obținut, din câte știm, cele mai lungi distanțe pentru QKD în lumea reală, utilizând tehnologie nerefrigerată criogenic. Constatările noastre confirmă că condițiile ambientale în centrele de telecomunicații operaționale sunt comparabile sau chiar mai bune decât cele simulate în laboratoare, ceea ce încurajează o comercializare și o creare de prototipuri mai mari ale echipamentelor de comunicații cuantice coerente. Această realizare pune bazele pentru viitoarele comunicații și rețele cuantice practice și de înaltă performanță».

Această înaltă performanță este o altă provocare a comunicării cuantice. Metodele tradiționale, cum ar fi distribuția de chei cuantice (QKD) cu care a lucrat echipa lui Pittaluga, și altele, cum ar fi criptarea haotică, sacrifică adesea viteza sau capacitatea de transmisie în favoarea securității. Cu toate acestea, într-un studiu al cercetătorilor de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai au prezentat un cadru integrat de criptare și comunicare (IEAC) care combină o securitate robustă cu o performanță de transmisie de înaltă capacitate, pornind de la învățarea profundă de la un capăt la altul (E2EDL), pentru a realiza o transmisie sigură record de 1 Tb pe secundă prin 1.200 de kilometri de fibră optică, o etapă importantă în comunicațiile prin această infrastructură, sigură, de înaltă capacitate și pe distanțe lungi.

«Lucrarea noastră reduce decalajul dintre securitate și performanța de transmisie în comunicațiile optice. Prin încorporarea criptării în stratul fizic, IEAC deschide calea pentru rețele sigure și de înaltă performanță, capabile să suporte cerințele de date impulsionate de inteligența artificială», afirmă Lilin Yi, coautor al studiului și profesor la universitatea din Shanghai.