Ketika usaha ke arah merealisasikan komputer kuantum yang berkuasa dan simulator kuantum berterusan, terdapat program selari yang bertujuan untuk mencapai analog kuantum kepada internet klasik.
Rangkaian kuantum baharu ini akan menyediakan keselamatan siber ultrasecure, kuantum-selamat, dan akhirnya akan ditumpukan kepada pertukaran qubit, elemen kesatuan maklumat kuantum, dan bahasa komputer kuantum. Ia, sebenarnya, akan menyediakan jaringan di mana komputer kuantum yang berbeza boleh disambungkan seperti pemproses klasik disambungkan dalam pengkomputeran awan.
Pilihan awal untuk infrastruktur internet kuantum masa hadapan adalah, sebenarnya, rangkaian telekomunikasi sedia ada, yang menyediakan saluran hampir di mana-mana di mana cahaya boleh bergerak dalam jarak yang sangat jauh dengan penyerapan terhad. Oleh kerana penyerapan yang rendah dan kelajuannya yang tinggi, cahaya adalah calon yang bagus sebagai pembawa maklumat, sama ada klasik atau kuantum.
Cahaya laser yang terang boleh digunakan dengan mudah untuk memindahkan maklumat klasik di internet, manakala pengecilan cahaya dalam gentian optik diimbangi oleh penguat cahaya yang diletakkan setiap sepuluh km dalam gentian ini. Walau bagaimanapun, pemindahan maklumat kuantum—komunikasi kuantum—memerlukan cara yang lebih canggih.
Bit kuantum masih dikodkan dalam cahaya, khususnya foton tunggal, tetapi pengekodan kuantum ini tidak boleh dikuatkan kerana peraturan mekanik kuantum menghalangnya; jika anda cuba menguatkan pengekodan kuantum, anda merosakkan maklumat yang terkandung dalam foton dengan serius. Oleh itu, penguat yang digunakan dalam rangkaian klasik tidak boleh digunakan untuk bit kuantum. Ini bermakna bahawa secara radikal baru teknologi diperlukan untuk membina versi kuantum internet: pengulang kuantum.
Memandangkan penguat cahaya memastikan ketersambungan antara lokasi yang jauh, pengulang kuantum akan membolehkan komunikasi jarak jauh dengan mengedarkan jalinan di antara mereka.
Entanglement ialah sifat kuantum eksklusif dua objek yang menunjukkan korelasi yang tidak boleh dihasilkan semula melalui cara klasik, dan ia merupakan salah satu komponen utama komunikasi kuantum. Ia boleh digunakan untuk memindahkan maklumat kuantum, contohnya, melalui teleportasi kuantum antara dua nod sistem pengulang kuantum.
Satu cara untuk mewujudkan jalinan jauh antara dua nod adalah melalui penghantaran terus: sepasang foton terjerat boleh dijana, dengan satu kekal sementara satu lagi bergerak ke lokasi lain. Ini bermakna bahawa yang kedua mesti serasi dengan penghantaran gentian optik, manakala yang pertama mesti disimpan dalam memori kuantum, yang membawa kepada keterikatan antara cahaya dan jirim.
Kini, seseorang memerlukan satu set pengulang kuantum untuk memasangkan beberapa nod ini untuk mencapai jalinan jarak jauh antara ingatan kuantum. Seni bina yang menjanjikan untuk nod pengulang kuantum ini bergantung pada gandingan penjanaan spontan pasangan foton, satu proses yang dikenali sebagai penukaran turun spontan (SPDC), dengan memori kuantum luaran.
Ini adalah pendekatan yang telah diambil oleh penyelidik di ICFO. Dalam kajian baru yang muncul di arXiv pelayan pracetak, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera, dan Felicien Appas, diketuai oleh ICREA Prof. di ICFO Hugues de Riedmatten menunjukkan penghantaran jalinan jirim cahaya sepanjang berpuluh-puluh kilometer gentian optik.
Dalam eksperimen mereka, mereka menghasilkan pasangan foton, di mana satu dipancarkan pada panjang gelombang telekomunikasi 1436nm, manakala satu lagi dipancarkan pada 606nm, serasi dengan ingatan kuantum keadaan pepejal yang digunakan, direalisasikan dalam kristal khas yang didop dengan atom nadir bumi.
Mereka kemudian memanfaatkan rangkaian metropolitan Barcelona, menghubungkan sistem mereka kepada dua gentian yang mengalir dari ICFO, di Castelldefels, ke Pusat Telekomunikasi Catalunya (CTTI), en Hospitalet de Llobregat. Dengan menghubungkan kedua-dua pusat, mereka mencipta cincin sepanjang 50 km, menghantar foton ke pusat bandar Barcelona dan kembali ke ICFO.
Dengan ini, mereka menunjukkan bahawa selepas perjalanan pergi balik penuh sejauh 50 km, cahaya yang dijana dalam makmal mengekalkan ciri kuantumnya tanpa penurunan yang ketara, menunjukkan bahawa qubit fotonik tidak menunjukkan dekoheren apabila melakukan perjalanan berpuluh-puluh km dalam kabel gentian optik, walaupun di kawasan metropolitan. Ringkasnya, cahaya kuantum meninggalkan makmal, dan ia akhirnya dikesan kembali pada asalnya.
Walau bagaimanapun, komunikasi kuantum memerlukan penggunaan dan pengesahan jalinan antara lokasi terpencil, di mana foton terjerat dikesan di lokasi yang terpisah dengan baik dalam ruang dan masa. Bergerak ke arah ini, para penyelidik meluaskan rangkaian mereka untuk memasukkan nod baharu, kali ini terletak di asas i2CAT, sebuah bangunan di Barcelona, kira-kira 44 km dari ICFO melalui rangkaian gentian optik tempatan dan 17 km dalam garis lurus.
Di sana, mereka memasang pengesan telekom untuk mengukur ketibaan foton yang datang melalui salah satu gentian manakala gentian yang lain disambungkan kepada transduser, yang menukar isyarat elektrik pengesan kepada cahaya dan menghantarnya melalui talian gentian optik.
Dengan cara ini, maklumat boleh disampaikan kembali kepada ICFO dengan ketepatan tinggi, walaupun foton dikesan kira-kira 17 km jauhnya. Selain itu, mereka menggunakan transduser yang sama untuk menghantar isyarat penyegerakan antara kedua-dua nod rangkaian asas ini, di mana penjanaan dan pengesanan korelasi kuantum telah dipisahkan sepenuhnya antara dua nod bebas lagi bersambung.
Eksperimen itu mengesahkan sistem yang digunakan oleh penyelidik untuk menjana keterikatan jirim cahaya dan telah terbukti menjadi salah satu calon perintis untuk merealisasikan nod pengulang kuantum, teknologi yang membolehkan komunikasi kuantum jarak jauh. Demonstrasi bukti prinsip telah pun direalisasikan di makmal, dan kumpulan itu kini sedang berusaha untuk meningkatkan prestasi kedua-dua memori dan sumber.
Selain itu, para penyelidik telah bekerjasama dengan Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya), dan makmal baharu tersedia di menara Collserola dalam konteks projek QNetworks dan EuroQCI Sepanyol untuk merealisasikan keadaan terjerat kenangan kuantum jauh.
Realisasi tulang belakang jarak jauh untuk pengagihan jalinan antara ingatan kuantum juga merupakan salah satu matlamat utama Perikatan Internet Kuantum (QIA), usaha terkemuka Eropah dalam merealisasikan internet kuantum yang mana ICFO merupakan rakan kongsi utama.
Hasil kajian ini, "iaitu penghantaran jalinan jirim cahaya ke atas gentian yang digunakan di kawasan metropolitan, adalah batu loncatan awal ke arah merealisasikan internet kuantum sepenuhnya, dengan nod kuantum sumber dan memori kami sebagai terasnya, ” komen Samuele Grandi, seorang penyelidik di ICFO dan pengarang pertama kajian itu.
Seperti yang disimpulkan oleh Prof. ICREA di ICFO Hugues de Riedmatten, "Keterikatan jirim cahaya ialah sumber utama untuk komunikasi kuantum dan ditunjukkan berkali-kali di makmal. Menunjukkannya dalam rangkaian gentian yang dipasang ialah langkah pertama ke arah merealisasikan ujian untuk teknologi pengulang kuantum di kawasan Barcelona, menyediakan asas untuk rangkaian berasaskan gentian jarak jauh.”