NASA va încerca să producă inseparabilitate cuantică în spațiu

NASA a anunțat în luna martie că, în 2022, va efectua un mic experiment în spațiu prin care va încerca să producă inseparabilitate cuantică.

Misiunea, numită Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (sau SEAQUE), este menită să testeze dacă doi fotoni cuplați pot rămâne legați unul de celălalt în spațiu. Această proprietate ciudată a fizicii cuantice ar putea într-o zi să conecteze dispozitive precum telescoape și computere la frecvențe care transportă informații cu o rezoluție mai bună.

Proiectul este o colaborare între instituții de cercetare din SUA, Canada și Singapore, împreună cu câțiva parteneri corporativi. Tot ceea ce este necesar pentru sistem ar putea încăpea într-un container de dimensiunea unei cutii de lapte pe suprafața Stației Spațiale Internaționale.

Atunci când vorbim despre inseparabilitate cuantică trebuie să știm că este un subiect complex, așa că să începem cu elementele de bază: un foton este o unitate de bază de lumină care se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă. Fotonii „încâlciți” se comportă ca și cum ar fi conectați, indiferent de distanța fizică dintre ei (un fenomen cunoscut și sub numele de „acțiune înfricoșătoare la distanță”).

Asta înseamnă că, chiar dacă proprietățile fiecărui foton ar fi măsurate independent, rezultatele lor ar fi în continuare corelate, deoarece măsurarea unui foton din perechea încâlcită ar afecta proprietățile celuilalt foton.

De ce vrea NASA să producă inseparabilitate cuantică?

Crearea și menținerea acestei inseparabilități ar putea permite sistemelor cuantice de la sol, aflate la distanță (cum ar fi computerele cuantice sau telescoapele cuantice), să comunice date de înaltă rezoluție între ele. O rețea cuantică poate fi utilizată pentru comunicații securizate, pentru programarea unui computer cuantic de la distanță și pentru detectarea distribuită.

„Proiectul nostru este o piatră de temelie pentru a putea conecta computerele cuantice”, spune Paul Kwiat, cercetătorul principal al proiectului SEAQUE, de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign.

Conectarea a două computere cuantice poate crește și capacitatea lor de calcul. În loc să aibă, de exemplu, două computere de 100 de qubiți care acționează independent, dacă aceste computere ar fi cuplate între ele, s-ar comporta ca un computer de 200 de qubiți.

Ce sunt qubiții?

Despre qubiți: spre deosebire de computerele clasice, care codifică informații în biți binari, computerele cuantice pot codifica informații în qubiți, care pot fi avea valoarea 0 (zero), 1 sau, în mod bizar, ambele valori în același timp. Această proprietate, în teorie, le-ar permite computerelor cuantice să rezolve anumite probleme precum criptarea, simularea unui sistem cuantic sau căutarea într-o bază de date nesortată, mai bine decât computerele clasice.

Însă computerele cuantice sunt delicate. Dacă se află la sute de kilometri unul de celălalt, dar sunt conectate prin fibră optică, este dificil ca semnalele cuantice să călătorească de la unul la celălalt, deoarece există pierderi pe măsură ce trec prin fibră.

„Dacă distanța este foarte lungă, practic, semnalele cuantice nu mai ajung la celălalt capăt”, spune Kwiat. Și pentru că stările cuantice nu pot fi copiate, inginerii nu pot folosi amplificatoare pentru semnale.

„Avantajul încercării de a face legătura prin spațiu este se pierde mai puțin semnal atunci când trece prin aer liber decât atunci când este transmis prin fibră”, a adăugat cercetătorul.

Proiectul SEAQUE

Proiectul SEAQUE are pe ISS un obiectiv împărțit în trei părți: să creeze „încâlcirea”, să o transmită și să o detecteze.

Anterior, fotonii încâlciți erau creați cu un cristal de dimensiunea unui clips de birou. Apoi fotonii au trebuit să fie colectați și realiniați în spațiu.

SEAQUE va crea inseparabilitate cuantică printr-un proces numit conversie negativă parametrică spontană, în care un singur foton trece printr-un cristal neliniar și produce doi fotoni-fii care au energie mai mică.

Ce face SEAQUE diferit?

„Unul dintre lucrurile pe care le facem diferit este că sursa noastră folosește o optică mică integrată, un cip de ghid de undă, deci este mult mai mic”, spune Kwiat.

În experimentul limitat al SEAQUE, doi fotoni vor fi creați și detectați în același pachet mic în spațiu. Pentru comunicarea cuantică viitoare, ar trebui să adauge telescoape și un fel de sistem de indicare și urmărire, astfel încât unul, sau ambii, fotoni să poată fi transmiși, notează Kwiat.

Cu tehnologia actuală, memoria cuantică nu poate fi stocată pe termen lung pe ceva ca un stick de memorie obișnuit, așa că informațiile cuantice trebuie trimise printr-o legătură. O serie de experimente din China au realizat asta prin telescoape aflate la sol și un satelit din spațiu.

„Dispozitivele trebuie să fie îndreptate și fixate unul spre celălalt și să trimită semnale cuantice. Cu cât telescoapele sunt mai mari, cu atât poți colecta mai multă lumină cu ele, cu atât eficiența transmisiei este mai mare, mergând de la sol la satelit sau de satelit la sol. Proiectul pe care îl avem acum nu încearcă să facă asta”, explică Kwiat.

După ce sunt creați acești doi fotoni, pasul final pentru SEAQUE este detectarea, care măsoară proprietățile fotonilor.

Acești fotoni sunt deosebit de sensibili

„Detectorul trebuie să poată vedea fotoni unici care sunt extrem de sensibili”, spune Kwiat. Există o oarecare pierdere de fotoni pe măsură ce un semnal este transmis de pe Pământ către spațiu, dar ar fi o pierdere mult mai mică decât dacă ar trece prin fibră.

„În timp ce detectarea semnalelor de pe Pământ depășește scopul acestei demonstrații tehnologice, SEAQUE își va folosi matricea de detectoare pentru a număra fotonii generați de sursa sa de inseparabilitate cuantică”, a transmis NASA.

Deoarece fotonii sunt prețioși și limitați, cercetătorii trebuie să se asigure că îi pot vedea pe cei pe care îi primesc, ceea ce înseamnă că trebuie să elimine orice zgomot care trece prin detectoare.

Prea mult zgomot înseamnă că sistemele cuantice ar deveni nesecurizate

„Detectoarele tipice sunt influențate de daunele aduse de radiații. În spațiul cosmic există multă radiație și ceea ce face acea radiație este că creează defecte în rețeaua cristalină a materialului detector (un semiconductor sau siliciu)”, spune Kwiat, potrivit Popular Science.

Acest lucru provoacă zgomot, sau cuante întunecate, ceea ce face ca detectorul să creadă că a detectat un foton chiar și atunci când nu a trecut niciunul. Aceste defecte se pot acumula în timp, provocând zgomot în creștere, care ar putea în cele din urmă să înece semnalul cuantic. Dacă există prea mult zgomot, sistemele cuantice precum criptografia cuantică ar deveni nesecurizate și legăturile dintre calculatoarele cuantice ar fi întrerupte.

Inseparabilitate cuantică și computere cuantice

Nu este încă sigur cum vor fi realizate aceste comunicații la mare distanță între computerele cuantice individuale. Există multe idei diferite despre modul în care fotonii încâlciți ar putea fi conectați la dispozitive cuantice, în principal pentru că există o mulțime de idei despre cum ar trebui să arate un computer cuantic.

„Poți lua unul dintre fotonii încâlciți și să încerci să îl introduci în atom, sau poți interfera acești doi fotoni într-un mod care transferă încâlcirea, astfel încât să poți încurca aceste sisteme aflate la distanță”, sugerează Kwiat.

Google și IBM, pe de altă parte, folosesc procesoare cuantice supraconductoare cu qubiți (un qubit arată ca un atom artificial) care comunică cu fotonii de microunde.

„Întrebarea este dacă poți converti asta într-unul dintre fotonii pe care încercăm să-i trimitem [în spațiu]”, spune cercetătorul.

Cercetarea computerelor conectate prin inseparabilitate cuantică este abia la început

Fotonii cu microunde, deoarece au o energie scăzută, ar fi aproape imposibil de detectat în spațiul liber. „Ar fi copleșiți de tot zgomotul. Deci trebuie să facem un fel de transducție prin care convertim de la microunde la lungimea de undă vizibilă sau la lungimile de undă de telecomunicații”, adaugă el.

Este o provocare grea de fizică și inginerie pe care multe grupuri din întreaga lume încearcă să o rezolve în acest moment. Dar poate în următorul deceniu, cercetătorii ar putea să preia acei fotoni, să-i transforme în frecvența potrivită care poate comunica cu bitul cuantic, fie că este un ion prins, un atom neutru sau un qubit supraconductor.

„Va dura ceva timp până când vom avea calculatoare cuantice interconectate, pentru că nu avem încă calculatoare cuantice utile, lipsite de erori, nu avem transducții funcționale. Fiecare lucrează la piesa lui din puzzle”, spune Kwiat.

Vă recomandăm să citiți și:

Apocalipsa cuantică este iminentă. „O amenințare pentru modul nostru de viață”

Niște obiecte cuantice ciudate numite Q-balls ar putea explica motivul pentru care existăm

Progres major pentru computerele cuantice: acestea pot acum să corecteze erorile automat

O descoperire în fizica cuantică revoluționează noua generație de dispozitive electronice