Kvantové počítače sľubujú, že budú fungovať miliónkrát rýchlejšie ako bežné počítače. Ale na komunikáciu na veľké vzdialenosti budú kvantové počítače potrebovať vyhradenú kvantovú komunikačnú sieť.
Na pomoc pri vytváraní takejto siete vedci z NASA Jet Propulsion Laboratory a Caltech vyvinuli zariadenie, ktoré dokáže počítať obrovské množstvo jednotlivých fotónov – kvantových častíc svetla – s neuveriteľnou presnosťou. Detektor PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta) dokáže zmerať presný čas, kedy ho každý fotón zasiahne, do 100 biliónov sekundy rýchlosťou 1,5 miliardy fotónov za sekundu. Žiadny iný detektor nedosiahol takú rýchlosť.
"Prenos kvantových informácií na veľké vzdialenosti bol doteraz veľmi obmedzený," povedala členka projektového tímu PEACOQ Ioana Craiciu, postdoktorandka na JPL a hlavná autorka štúdie popisujúcej tieto výsledky "Nová technológia detektorov, ako je PEACOQ, ktorá dokáže merať jednotlivé fotóny s presnosťou zlomku nanosekundy, umožňuje posielať kvantové informácie vyššou rýchlosťou a podstatne ďalej."
Vyžaduje sa vyhradená sieť
Bežné počítače prenášajú údaje cez modemy a telekomunikačné siete vytváraním kópií informácií ako sérií 1 a 0, nazývaných aj bity. Bity sa potom prenášajú cez káble, po optických vláknach a cez priestor prostredníctvom zábleskov svetla alebo impulzov rádiových vĺn. Po prijatí sa bity znova poskladajú, aby sa znovu vytvorili dáta, ktoré boli pôvodne prenesené.
Kvantové počítače komunikujú inak. Kódujú informácie ako kvantové bity – alebo qubity – v základných časticiach, ako sú elektróny a fotóny, ktoré nemožno skopírovať a znova preniesť bez toho, aby boli zničené. Ku zložitosti sa pridáva aj to, že kvantové informácie prenášané cez optické vlákna cez zakódované fotóny degradujú už po niekoľkých desiatkach kilometrov, čo značne obmedzuje veľkosť akejkoľvek budúcej siete.
Aby kvantové počítače mohli komunikovať nad rámec týchto obmedzení, vyhradená optická kvantová sieť vo voľnom priestore by mohla zahŕňať vesmírne „uzly “ na palube satelitov obiehajúcich okolo Zeme. Tieto uzly by prenášali údaje generovaním párov zapletených fotónov, ktoré by sa posielali do dvoch terminálov kvantových počítačov vzdialených stovky alebo dokonca tisíce kilometrov od seba na zemi.
Páry zapletených fotónov sú tak úzko prepojené, že meranie jedného okamžite ovplyvňuje výsledky merania druhého, aj keď sú od seba vzdialené veľmi ďaleko. Ale na to, aby boli tieto zapletené fotóny prijaté na zemi terminálom kvantového počítača, je potrebný vysoko citlivý detektor ako PEACOQ na presné meranie času, kedy prijme každý fotón, a dodanie údajov, ktoré obsahuje.
Samotný detektor je malý. Meria iba 13 mikrónov a skladá sa z 32 supravodivých nanodrôtov z nitridu nióbu na kremíkovom čipe s konektormi. Každé nanovlákno je 10 000-krát tenšie ako ľudský vlas.
Detektor PEACOQ musí byť udržiavaný pri kryogénnej teplote len jeden stupeň nad absolútnou nulou. To udržuje nanodrôty v supravodivom stave, ktorý je potrebný na to, aby mohli premeniť absorbované fotóny na elektrické impulzy, ktoré dodávajú kvantové údaje. Hoci detektor musí byť dostatočne citlivý na jednotlivé fotóny, je tiež navrhnutý tak, aby odolal nárazu mnohých fotónov naraz. Keď jeden nanodrôt v detektore zasiahne fotón, nie je na chvíľu schopný detekovať ďalší fotón v tzv. „mŕtvom čase“ – ale každý supravodivý nanodrôt je navrhnutý tak, aby mal čo najmenší mŕtvy čas. Okrem toho je PEACOQ vybavený 32 nanodrôtmi, takže ostatní môžu údaje detekovať aj v prípade, že je iný "v mŕtvom čase".
"V blízkej budúcnosti sa PEACOQ použije v laboratórnych experimentoch na demonštráciu kvantovej komunikácie pri vyšších rýchlostiach alebo na väčšie vzdialenosti," povedal Craiciu. "Z dlhodobého hľadiska by to mohlo poskytnúť odpoveď na otázku, ako prenášame kvantové údaje po celom svete."
Súčasťou širšieho úsilia NASA o umožnenie optickej komunikácie vo voľnom priestore medzi vesmírom a zemou je PEACOQ založený na detektore vyvinutom pre demonštráciu technológie NASA Deep Space Optical Communications ( DSOC ). DSOC odštartuje s misiou Psyche koncom tohto roka, aby po prvýkrát demonštrovala, ako by v budúcnosti mohla fungovať širokopásmová optická komunikácia medzi Zemou a hlbokým vesmírom.