Vědci v New Yorku dosáhli průlomu: Vytvořili první bezdrátový kvantový spoj přes 21 kilometrů vzduchem

Výstavba kvantových sítí čelí paradoxní výzvě: optické kabely, ačkoliv dokážou přenášet křehké kvantové informace na dlouhé vzdálenosti, představují zároveň překážku. Vyžadují fyzickou infrastrukturu a jsou optimalizovány pro specifické telekomunikační vlnové délky.

Výstavba kvantových sítí čelí paradoxní výzvě: optické kabely, ačkoliv dokážou přenášet křehké kvantové informace na dlouhé vzdálenosti, představují zároveň překážku. Vyžadují fyzickou infrastrukturu a jsou optimalizovány pro specifické telekomunikační vlnové délky. To omezuje možnosti, neboť kvantové technologie mohou fungovat na jiných vlnových délkách a kvantové signály jsou natolik citlivé, že ztráty a narušení v kabelech omezují jejich dosah.

Vědci z Brookhaven National Laboratory a Stony Brook University nyní představili alternativní cestu. Úspěšně přenesli kvantové stavy světla volným vzduchem na vzdálenost 21 kilometrů (13 mil), což představuje první takovou demonstraci v USA. Tento bezdrátový prvek rozšiřuje nejdelší americkou kvantovou síť, která již nyní měří 259 kilometrů a propojuje osm uzlů.

Během denní demonstrace 21. srpna vědci z Quantum Watchtower na Stony Brook University použili laser k vytvoření kvantových stavů obsahujících jen několik fotonů. Tyto fotony, vycházející z optického vlákna o průměru pouhých 5 mikronů, urazily 21 kilometrů atmosférou k Brookhavenovu Quantum Lighthouse v Uptonu v New Yorku, kde je detekovala ultrarychlá kamera. Konvenční bezdrátové technologie, jako jsou rádiové frekvence, nebyly vhodné kvůli vysoké úrovni šumu, který by narušil křehké kvantové informace. Přenos světla atmosférou však přináší problém turbulence, která může zkreslit jeho dráhu. Tým proto využil poznatky z astronomie, konkrétně technologii teleskopů a adaptivní optiku, k vyrovnání se s atmosférickými turbulencemi a k přesnému sběru a řízení světla.

Náročnější test zahrnoval propletené fotony. Během nočních zkoušek, kdy bylo pozadí méně osvětlené, vědci poslali propletené fotony z fyzikální laboratoře Stony Brook do Quantum Watchtower prostřednictvím vlákna. Fotony byly poté distribuovány přes bezdrátový spoj a úspěšně přijaty a změřeny v Quantum Lighthouse. Propletené fotony mají kvantové vlastnosti, které zůstávají korelované, i když jsou částice odděleny na velké vzdálenosti, což je činí slibnými pro budoucí zabezpečenou komunikaci, kvantové snímání a sítě propojující kvantové počítače.

Nové bezdrátové optické spojení (FSO) nemá nahradit optická vlákna, ale spíše je doplnit. Může pomoci kvantovým sítím dosáhnout míst a zařízení, která je obtížné propojit konvenčními kabely. Zároveň umožňuje vědcům přístup k vlnovým délkám mimo ty, které preferují komerční telekomunikační vlákna, což by mohlo usnadnit propojení kvantových procesorů a dalších technologií fungujících na různých vlnových délkách. Další rozšíření sítě je již ve vývoji, včetně spojení mezi Stony Brook a Yale University v New Haven, Connecticut, které umožní přenos propletených fotonů na vzdálenost 48 kilometrů přes Long Island Sound. Dlouhodobým cílem je propojení kvantových počítačů v Brookhaven a Stony Brook, aby mohly společně řešit složité problémy, a nakonec přenos kvantových informací přes zemskou atmosféru k satelitům. To by mohlo přinést zabezpečenou kvantovou komunikaci do venkovských nebo vzdálených oblastí s minimální pozemní telekomunikační infrastrukturou, čímž by se kvantová síť transformovala z regionální na globální.