Evropski naučnici tvrde da je značajan napredak u svojim naporima da stvore mrežni uređaj koji će postati temeljni građevinski blok kvantnog interneta.
Industrija kvantnog računarstva u nastajanju očekuje da će koristiti takve mreže za distribuciju obrade na više računara gdje su pojedinačno preslabe, čime će ispuniti obećanje koje daje da riješi teške probleme u oblastima kao što je medicina.
Ipak, izgradnja čak i kratkih kvantnih mreža stavila je naučnike pred tako ogromne inženjerske izazove da je napredak koji su postigli otkako su arhitektonski principi kvantnog interneta teorijski uspostavljeni prije četvrt stoljeća bio naporan i postepen.
Najnovija inženjerska dostignuća u međuvremenu su bili skromni i strogo ograničeni laboratorijski eksperimenti, koje su osmislili istraživači fizičari koji kažu da će možda proći još mnogo godina prije nego što bude moguće proizvesti komercijalno kvantne mrežne uređaje koji mogu prenositi informacije dovoljno pouzdano i dovoljno velikom propusnošću za komunikaciju u stvarnom svijetu.
Tim naučnika sa centrom u Španiji je ipak tvrdio da je po prvi put pokazao kako rade zajedno dva mehanizma koji će, kada nauka sazri, pomoći u izgradnji jedne komponente kvantnog repetitora. Ovo je uređaj za koji se očekuje da funkcionira kao proširivač za kvantne mrežne linije, povezujući ih u duže veze potrebne za umrežavanje u stvarnom svijetu.
Komponenta koju su demonstrirali je memorijski uređaj koji može pohraniti kubite – logičko stanje kodirano, na primjer, u subatomskim česticama. Predstavili su ga kao “glavnog kandidata” za repetitor sposoban za stvarni, visoku propusnost.
To su uradili kombinujući tri operacije ključne za pamćenje, i pokazali su kako rade zajedno po prvi put, rekao je Félicien Appas, postdoktorski istraživač koji je pomogao u vođenju eksperimenta na Institutu za fotoničke nauke (ICFO) u Barseloni.
Njihov eksperiment je ustanovio ono što je poznato kao preplitanje između dvije kvantne memorije, pohranjivanje tog stanja, a zatim ga dohvatilo na zahtjev, uz operaciju multipleksiranja koja je omogućila da se to uradi brzo, efektivno povećavajući propusnost za mrežnu vezu.
Konačno, to je najavilo preuzete podatke na zasebnoj, optičkoj liniji. Efikasno je demonstrirao temelj infrastrukturnog sloja kvantne mreže.
Šta je teorija?
Atomska sjećanja su ključni dio kvantne mrežne arhitekture jer krhka, prolazna priroda kvantnih informacija čini izuzetno teškim slanje logičkih kubita na velike udaljenosti. Fizički kubiti se uopšte ne mogu efikasno poslati.
Ali lanac fotona – svjetlosnih čestica – raširenih kroz spojeni niz kratkih mrežnih veza može prenijeti logičko stanje kodirano u jednom kubitu. Barem može ako je svaki par fotona duž lanca upleten i pohranjen u memoriji dovoljno dugo da utiče na prijenos.
Ali zapletanje je izuzetno osjetljivo na buku okoline, tako da fotoni ostaju upareni samo prolazno i mogu se distribuirati na samo kratke udaljenosti. Ovo je takođe od vitalnog značaja jer kvantna mreža prima fotone da prenesu kubite dovodeći ih u stanje isprepletenosti. To stvara osnovnu arhitekturu – zapleteni parovi fotona se distribuiraju između krajnjih tačaka veze tako da se kubit može prenijeti između njih.
Istraživači kvantnog umrežavanja pokušavaju stvoriti duže veze spajanjem kraćih skokova. Kvantni repetitori na susjednim spojevima distribuiraju parove fotona između sebe, tako da svaki par obuhvata skok. Repetitori tada djeluju unisono kako bi spojili lanac, stvarajući jedan par zapletenih fotona između krajnjih tačaka veze, spremnih da prenesu kubit duž njega.
Proces propagiranja isprepletenih parova duž svakog koraka veze je težak. Svako uparivanje je nesigurno, formirano nakon bezbrojnih pokušaja, sa gubicima svojstvenim brojnim procedurama i komponentama koje su uključene, tako da kada kvantni repetitori uspostave isprepleteni par duž skoka, moraju ga zadržati u memoriji dok se cijeli lanac ne podigne.
Kada se lanac zatim koristi za prijenos kubita, on se uništava. Mreža se sastoji od više lanaca, podignutih kontinuiranim tokovima fotona, tako da postoji jedan spreman za prijenos kubita kada je to potrebno.
Šta je stvarnost?
Dakle, to je teorija iza posla koji je obavio ICFO tim: upleli su dva sjećanja i zadržali stanje 24 mikrosekunde – 24 milioniti dio sekunde.
“Vrijeme skladištenja je jedno od ograničenja na kojem trenutno radimo,” rekao je Appas. “To nije dovoljno za implementaciju u stvarnom svijetu. U budućnosti su nam potrebne milisekunde ili čak desetine milisekundi da bismo mogli sinkronizirati veze u mreži s više čvorova.”
Još jedna komponenta kvantnog repetitora predstavlja dodatne probleme: izvor, koji ispumpava fotone potrebne za izgradnju isprepletenih veza. ICFO je napravio svoju memoriju od kristala rijetke zemlje koji može pohraniti samo fotone koji imaju vrlo uski, precizan propusni opseg. Koristio je izvor napravljen od optičkih komponenti toliko velikih da moraju stajati na stolu.
Drugi evropski istraživači pokušavaju da razviju izvore zvane kvantne tačke, koje se mogu integrisati u čipove. Ali njihovi fotoni su 25 puta preširi da bi bili pohranjeni u ICFO memoriji, rekao je Apas. Drugi oblici memorijskog kristala bili su “super obećavajući”, rekao je, ali svaki je imao svoje nedostatke, a mogućnost njihove integracije sa praktičnijim kvantnim tačkama bila je neizvjesna.
Prvi svjetski
Dva druga evropska univerziteta proglasila su se za “prva u svijetu” sa kvantnim tačkama, ubrzavajući napredak ka održivom kvantnom repetitoru. Univerzitet u Stuttgartu, zajedno sa Univerzitetom Sapienza u Rimu, istovremeno su izjavili da su prenijeli kubite koristeći zapletene fotone koje emituju dvije različite kvantne tačke. Njihov izazov je bio da procesi kvantnog umrežavanja zahtevaju da se upareni fotoni ne mogu razlikovati, dok inženjeri tek treba da proizvedu tačke koje ih mogu emitovati dovoljno pouzdano da se dva takva izvora podudaraju.
Stuttgart je prisilio svoje fotone da budu sličniji podvrgavajući ih vrhunskom frekventnom pretvaraču ugrađenom u 1m2 rack. Nakon što je na taj način uspostavio tok fotona – koji je potreban čak i za pokušaj stvaranja isprepletenih parova – koristio je “post-selekciju” kako bi izbacio one za koje se smatralo da se ne mogu razlikovati.
Vrijeme skladištenja je jedno od ograničenja na kojem trenutno radimo. To nije dovoljno za implementaciju u stvarnom svijetu Félicien Appas, Institut za fotonske nauke
Ali pretvarači frekvencije su privremeno rješenje, rekao je Tim Strobel, istraživač fizičar sa Stuttgart Institute of Semiconductor Optics, dok je post-selekcija gruba i odbacuje dragocjene, korisne fotone.
“To je samo omjer signala i šuma. Smanjenje šuma ili povećanje signala su na vodećim rubovima inženjerskih istraživanja”, rekao je Strobel. “Nisam siguran koliko su skalabilni pretvarači. Bilo bi lijepo da nam više ne trebaju. Post-selekcija je trenutno neophodan alat, ali u budućnosti bismo je željeli izbjeći.”
Kvantni repetitor u stvarnom svijetu trebao bi biti u stanju proizvesti fotone koji se već ne mogu razlikovati, tako da im nije potrebna naknadna obrada, rekao je Strobel. Još mnogo inženjeringa mora biti urađeno da bi kvantne tačke bile sposobne za to. Stuttgartsko postrojenje emitovalo je fotone koji su bili 30% nerazlučivi bez naknadnog tretmana, a 75% s njim.
Istraživači teže 100% jer kvarovi ozbiljno degradiraju kvantne komunikacije. Dio rješenja uključuje tehniku koju je tim iz Rima koristio u svom eksperimentu, rekao je Strobel.
Strain engineering
Sapienza je izvela svoj eksperiment s najmodernijom kvantnom točkom napravljenom da se fizički savija sve dok ne emituje fotone pouzdanije nejasnije. Takvi uređaji su ipak rijetki i imao je samo jedan od njih, rekao je Alessandro Laneve, istraživač na Univerzitetu Sapienza.
Druga kvantna tačka u Sapienzinom eksperimentu bila je stariji, inferioran uređaj. Sapienza ga je natjerala da emituje fotone koji se ne razlikuju od prvog podvrgavajući ga magnetnom polju koristeći opremu za koju je Laneve rekao da ne bi bilo izvodljivo da bude dio repetitora u stvarnom svijetu. Zatim su prenijeli kubit koristeći fotone izvedene iz oba uređaja. Rezultat je bila “prilično dobra” vjernost od 82%, rekao je on, navodeći mjeru koliko je primljeni signal bio tačan u odnosu na poslani.
“To nije dovoljno za stvarne kvantne mrežne aplikacije. Moramo poboljšati brojke kako bismo ga učinili korisnim za povezivanje kvantnih računara ili pouzdanu distribuciju kvantnih informacija. Želimo 99,999%. Ali ovo je prvi pokušaj, i već je tako dobar”, rekao je Laneve.
Teleportacija je bila uspjeh. Sljedeći izazov bio je izvršiti mnogo težu operaciju zamjene zamršenosti, kojom se spaja lanac zapletenih fotona kako bi se stvorio jedan koji proteže krajnje tačke. Za to je čekala isporuka uređaja treće generacije sa Univerziteta Johannes Kepler u Linzu u Austriji, koji je napravio ostale, u saradnji sa istraživačima u Voralberbu, i u Würzburgu u Njemačkoj.
Univerzitet Johannes Kepler pisao je u januaru 2026. o tome kako je njegova ambicija da proizvede milione tačaka ublažena teškoćom da ih natjera da pouzdano emituju.
Laneve je rekao: “To je veoma težak izazov. Ali oni postaju sve bolji u ovome, a kvalitet izvora koje dobijamo je eksponencijalno bolji. Još uvijek ima puno teških tehničkih problema, ali već znamo kako da riješimo neke u principu. Sve smo bliže.”
Guranje kovertu
Sapienza je postigla razumne rezultate izvodeći svoju teleportaciju preko bežične veze. Dobivanje kvantnih tačaka za proizvodnju fotona na zahtjevnijoj talasnoj dužini telekomunikacija – pogodno za slanje preko optičkih vlakana – izazov je koji Stuttgart pokušava riješiti, a drugi razlog za zastoj u pretvaranju frekvencije.
Stuttgart i Sapienza su ipak pogurali okvire sa ovim eksperimentima. “Ali morate biti oprezni da o svemu govorite kao o prodoru”, rekla je Tracy Northup, profesorica na Institutu za eksperimentalnu fiziku Univerziteta u Insbruku, koja gradi kvantne repetitore.
“Postoji ovaj marš napretka. Postoji mnogo grupa širom svijeta koje se nadovezuju na rad jedne druge. Vidite uzbudljive rezultate koji izlaze svake sedmice. Postoje različiti prijedlozi kako napraviti repetitore. Imamo prekrasne teorijske radove koji nam govore kako da ih napravimo, ali eksperimentalno su vrlo izazovni.
“Kao zajednica, jednostavno ne znamo koji će biti najbolji put da dođemo do ovog dugoročnog cilja korisne kvantne mreže. Dakle, istražujemo različite načine da dođemo do toga”, rekla je ona.
Univerzitet u Innsbrucku koristi zarobljene jone (modificirane atome koji se koriste u nekim kvantnim kompjuterima) koji mogu proizvesti fotone koji se vrlo teško mogu razlikovati, a koji su prije dvije godine koristili za zamjenu zapetljavanja preko veze od 50 km, ali to ima svoja ograničenja.
Northup je rekla da univerzitet radi sa ICFO-om, čija sjećanja koriste zarobljene jone, te se nada da bi mogao ugraditi špansku tehnologiju multipleksiranja za nekoliko godina. Međutim, dodala je, propusnost je i dalje veliki izazov za istraživače.
