Khi những nỗ lực hướng tới việc hiện thực hóa máy tính lượng tử mạnh mẽ và trình mô phỏng lượng tử vẫn tiếp tục, có một chương trình song song nhằm đạt được sự tương tự lượng tử với Internet cổ điển.
Mạng lượng tử mới này sẽ cung cấp an ninh mạng cực kỳ an toàn, an toàn lượng tử và cuối cùng sẽ được dành cho việc trao đổi qubit, các yếu tố thống nhất của thông tin lượng tử và ngôn ngữ của máy tính lượng tử. Trên thực tế, nó sẽ cung cấp một mạng lưới mà qua đó các máy tính lượng tử khác nhau có thể kết nối giống như các bộ xử lý cổ điển được kết nối trong điện toán đám mây.
Trên thực tế, một lựa chọn trước mắt cho cơ sở hạ tầng internet lượng tử trong tương lai là mạng viễn thông hiện tại, cung cấp một kênh gần như phổ biến mà qua đó ánh sáng có thể truyền đi những khoảng cách rất xa với khả năng hấp thụ hạn chế. Do khả năng hấp thụ thấp và tốc độ cao của nó, ánh sáng là ứng cử viên sáng giá làm chất mang thông tin, dù là cổ điển hay lượng tử.
Ánh sáng laser mạnh có thể dễ dàng được sử dụng để truyền thông tin cổ điển trên internet, trong khi sự suy giảm ánh sáng trong sợi quang được bù đắp bằng các bộ khuếch đại ánh sáng đặt cứ sau 10 km trong các sợi này. Tuy nhiên, việc truyền thông tin lượng tử – giao tiếp lượng tử – đòi hỏi những phương tiện phức tạp hơn nhiều.
Các bit lượng tử vẫn được mã hóa dưới dạng ánh sáng, cụ thể là các photon đơn lẻ, nhưng mã hóa lượng tử này không thể được khuếch đại vì các quy luật của cơ học lượng tử ngăn cản nó; nếu bạn cố gắng khuếch đại mã hóa lượng tử, bạn sẽ làm hỏng nghiêm trọng thông tin chứa trong các photon. Do đó, các bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng cổ điển không thể sử dụng được cho các bit lượng tử. Điều này có nghĩa là một sự hoàn toàn mới công nghệ là cần thiết để xây dựng một phiên bản lượng tử của Internet: bộ lặp lượng tử.
Khi các bộ khuếch đại ánh sáng đảm bảo khả năng kết nối giữa các vị trí ở xa, bộ lặp lượng tử sẽ cho phép liên lạc ở khoảng cách xa bằng cách phân phối sự vướng víu giữa chúng.
Sự vướng víu là một thuộc tính lượng tử độc quyền của hai vật thể thể hiện mối tương quan không thể được tái tạo bằng các phương pháp cổ điển và nó là một trong những thành phần chính của truyền thông lượng tử. Nó có thể được sử dụng để truyền thông tin lượng tử, ví dụ, thông qua dịch chuyển tức thời lượng tử giữa hai nút của hệ thống lặp lượng tử.
Một cách để thiết lập sự vướng víu từ xa giữa hai nút là thông qua truyền trực tiếp: một cặp photon vướng víu có thể được tạo ra, trong đó một photon ở yên trong khi nút kia di chuyển đến vị trí khác. Điều này có nghĩa là cái sau phải tương thích với truyền dẫn cáp quang, trong khi cái trước phải được lưu trữ trong bộ nhớ lượng tử, dẫn đến sự vướng víu giữa ánh sáng và vật chất.
Bây giờ, người ta cần một bộ lặp lượng tử để ghép nối một số nút này nhằm đạt được sự vướng víu ở khoảng cách xa giữa các bộ nhớ lượng tử. Kiến trúc đầy hứa hẹn cho các nút lặp lượng tử này phụ thuộc vào việc ghép nối các cặp photon tạo ra tự phát, một quá trình được gọi là chuyển đổi xuống tự phát (SPDC), với bộ nhớ lượng tử bên ngoài.
Đây là cách tiếp cận mà các nhà nghiên cứu tại ICFO đã thực hiện. Trong một nghiên cứu mới xuất hiện trên arXiv máy chủ in trước, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera và Felicien Appas, dẫn đầu bởi Giáo sư ICREA tại ICFO Hugues de Riedmatten chứng minh sự truyền dẫn của sự vướng víu của vật chất ánh sáng qua hàng chục km sợi quang.
Trong thí nghiệm của mình, họ đã tạo ra các cặp photon, trong đó một photon được phát ra ở bước sóng viễn thông 1436nm, trong khi photon kia được phát ra ở bước sóng 606nm, tương thích với bộ nhớ lượng tử trạng thái rắn được sử dụng, được hiện thực hóa trong các tinh thể đặc biệt pha tạp các nguyên tử đất hiếm.
Sau đó, họ truy cập vào mạng lưới đô thị của Barcelona, kết nối hệ thống của họ với hai sợi cáp chạy từ ICFO, ở Castelldefels, đến Trung tâm Viễn thông Catalunya (CTTI), en Hospitalet de Llobregat. Bằng cách kết nối cả hai trung tâm, họ tạo ra một vòng tròn dài 50 km, gửi các photon đến tận trung tâm thành phố Barcelona và quay trở lại ICFO.
Với điều này, họ đã chứng minh rằng sau toàn bộ hành trình khứ hồi dài 50 km, ánh sáng tạo ra trong phòng thí nghiệm vẫn duy trì các đặc tính lượng tử của nó mà không giảm đáng kể, cho thấy các qubit quang tử không biểu hiện sự mất kết hợp khi di chuyển hàng chục km trong cáp quang. ngay cả ở khu vực đô thị. Nói tóm lại, ánh sáng lượng tử đã rời khỏi phòng thí nghiệm và cuối cùng nó được phát hiện trở lại nguồn gốc của nó.
Tuy nhiên, giao tiếp lượng tử đòi hỏi phải sử dụng và xác minh sự vướng víu giữa các vị trí ở xa, trong đó các photon vướng víu được phát hiện ở những vị trí cách xa nhau về không gian và thời gian. Đi theo hướng này, các nhà nghiên cứu đã mở rộng mạng của họ để bao gồm một nút mới, lần này được đặt tại nền tảng i2CAT, một tòa nhà ở Barcelona, cách ICFO khoảng 44 km thông qua mạng cáp quang địa phương và 17 km theo đường thẳng.
Ở đó, họ lắp đặt một máy dò viễn thông để đo sự xuất hiện của các photon đi qua một trong các sợi trong khi sợi còn lại được kết nối với một bộ chuyển đổi, biến tín hiệu điện của máy dò thành ánh sáng và gửi nó qua đường cáp quang.
Bằng cách này, thông tin có thể được truyền trở lại ICFO với độ chính xác cao, mặc dù photon được phát hiện cách đó khoảng 17 km. Hơn nữa, họ đã sử dụng cùng một bộ chuyển đổi để gửi tín hiệu đồng bộ hóa giữa hai nút của mạng cơ bản này, trong đó việc tạo và phát hiện các mối tương quan lượng tử được tách biệt hoàn toàn giữa hai nút độc lập nhưng vẫn được kết nối.
Thí nghiệm đã xác nhận hệ thống được các nhà nghiên cứu sử dụng để tạo ra sự vướng víu vật chất ánh sáng và đã được chứng minh là một trong những ứng cử viên tiên phong cho việc hiện thực hóa nút lặp lượng tử, công nghệ cho phép truyền thông lượng tử đường dài. Các minh chứng chứng minh nguyên lý đã được thực hiện trong phòng thí nghiệm và nhóm hiện đang nỗ lực cải thiện hiệu suất của cả bộ nhớ và nguồn.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã hợp tác với Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya) và một phòng thí nghiệm mới có sẵn tại tháp Collserola trong bối cảnh các dự án QNetworks và EuroQCI Tây Ban Nha nhằm hiện thực hóa trạng thái vướng víu của các ký ức lượng tử từ xa.
Việc hiện thực hóa đường trục đường dài để phân phối vướng víu giữa các bộ nhớ lượng tử cũng là một trong những mục tiêu chính của Liên minh Internet lượng tử (QIA), nỗ lực hàng đầu của châu Âu trong việc hiện thực hóa internet lượng tử mà ICFO là đối tác chính.
Kết quả của nghiên cứu này, “cụ thể là việc truyền sự vướng víu của vật chất ánh sáng qua các sợi được triển khai ở khu vực đô thị, là bước đệm ban đầu hướng tới việc hiện thực hóa Internet lượng tử hoàn chỉnh, với nút lượng tử nguồn và bộ nhớ của chúng ta làm cốt lõi, ” Samuele Grandi, nhà nghiên cứu tại ICFO và đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, nhận xét.
Như Giáo sư ICREA tại ICFO Hugues de Riedmatten kết luận, “Sự vướng víu của vật chất ánh sáng là nguồn tài nguyên quan trọng cho truyền thông lượng tử và đã được chứng minh nhiều lần trong phòng thí nghiệm. Việc trình diễn nó trong mạng cáp quang được lắp đặt là bước đầu tiên hướng tới hiện thực hóa nền tảng thử nghiệm cho các công nghệ lặp lượng tử ở khu vực Barcelona, chuẩn bị nền tảng cho các mạng dựa trên cáp quang đường dài.”