Egy lépéssel közelebb kerültünk a kvantuminternethez

A Stanford Egyetem kutatói egy lépéssel közelebb kerültek a kvantuminternet megalkotásához. Egy olyan fényforrást sikerült alkotniuk, amely az alapja lehet a kvantumkommunikációnak.

Egy kis bemelegítés

Mielőtt továbbmennénk, járjuk körül az alapfogalmakat. A hagyományos kommunikáció ki/be, vagyis 0/1 jelek változtatásával történik, ezzel továbbítják az információt. A kvantumkommunikációban ezeket a jeleket fotonokhoz rendelnék hozzá.

A foton a fény elemi részecskéje, legkisebb egysége, az elektromágneses kölcsönhatás közvetítője. A kvantumkommunikáció lényege nagyon röviden, hogy a küldőhely fotonjának információját megjelenítik a fogadóhely fotonjában. Részletesebben ebben a cikkünkben olvashat erről, itt megtudhatja azt is, hogy a teleportnak mi köze van a kvantumkommunikációhoz.

A kutatók tehát nagyon régóta próbálják megtalálni a megoldást az információ átvitelére. Nem egyszerű ugyanis olyan fényforrást találni, amely képes erre. A Stanford Egyetem fizikusai most azt állítják, hogy sikerült egy fényforrást találni, ez pedig egy nanoszkópikus lézer, amely egy gallium-arzenid (ez egy elektronikában használt félvezető anyag) chipen lövi át a fénysugarat. Mint az ábrán látható, a chip szűrőként működik, átengedi a klasszikus (vörös) sugarat, de közben kvantumfényt is létrehoz (ez a kék színű sugár).

Ha mindegy ilyen egyszerű lenne

A módszer működik, a probléma ott van, hogy miután elküldik a jelet, nem tudják fogadni azt. A kvantumfény sokkal gyengébb a többi fénynél, így nehezebb érzékelni, magyarázta a vezető kutató, Jelena Vuckovic. Így kidolgoztak egy módszert, amellyel kiszűrhetik a nem kívánt fényt, hogy könnyebben leolvashassák a kvantumjelet.

A szűrés hasonló elven működik, mint a zajszűrő fejhallgatók, amelyek úgy próbálják kiszűrni a háttérzajokat, hogy hasonló frekvenciájú zajokat játszanak le. Jelen esetben azonban a háttérzaj fény.

A zavaró fény miatt tehát nem látják a kvantumfényt, így ki kellett azt szűrni, hogy kiemeljék a kvantumjelet. Ez jóval bonyolultabb, mint aminek hangzik. Először is ki kellett találni, hogy milyen a háttérfény, utána egy ugyanolyan fényt kellett irányítani a forrás felé. A kutatóknak végül sikerült megoldani a problémát és felfedték a rejtett kvantumfényt.

Jelena Vuckovic nagyon ígéretes fejleménynek tartja ezt, mert a kvantumkommunikáció gyakorlati útjának lehetőségét adja a kezükbe. A csapat most egy olyan prototípust készít, amely akár az alapja is lehet a kvantuminternetnek. Legalábbis elméletben.

Nem csak ők dolgoznak a kvantumkommunikáción, néhány hónappal ezelőtt az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) munkatársai jelentették be, hogy száz kilométerre juttatták el a fény kvantumállapotába kódolt adatokat.

Jöhet a tökéletes titok, de előbb egy macska

De ha sikerülne is megalkotni a kvantumkommunikációt, mi hasznunk lenne ebből? Az elmélet szerint egy ilyen hálózaton a kommunikáció tökéletesen biztonságos és lehallgathatatlan lenne. A kvantummechanika egyik alapelve, hogy a megfigyelés, mérés megváltoztatja a megfigyelt jelenség jellemzőit. Egy kvantumüzenet tehát azért lehallgathatatlan, mert magával a lehallgatás tényével másítjuk meg az üzenetet.

Ahhoz, hogy ezt a mondatot megmagyarázzuk, elő kell venni Schrödinger macskáját. Erwin Schrödinger egy szemléletes példával magyarázza  meg a kvantummechanika alaptételét. Van egy doboz, benne egy macskával. A macska mellett van egy üveg méreg, amely bármelyik pillanatban eltörhet, megmérgezve a macskát. Amíg a dobozt ki nem nyitjuk, nem tudjuk a macska sorsát, tehát az egyszerre él és halott. Egészen addig van ez így, amíg ki nem nyitjuk a dobozt és rá nem kényszerítjük a macskát az egyik helyzetre. A doboz kinyitása a mérés, amely megváltoztatja a megfigyelt jelenség jellemzőit.

Kvantummechanikára lefordítva: a kvantummechanika egyik alapelve, hogy a fény és az anyag egyszerre mutat hullám- és részecsketulajdonságokat. Amikor mérést végzünk, a hullámfüggvény összeomlik és a rendszer felveszi a lehetséges állapotok egyikét. Vagyis megváltozik. Egyszerűbben szólva, ha a fotonokban tárolt információt meg akarnánk ismerni, el is pusztítanánk rögtön. Tökéletesen biztonságos internetet kaphatnánk.

Ez a fajta kommunikáció már működik a gyakorlatban, kvantumkriptográfiának hívják. A probléma, hogy csak közvetlen kommunikációban alkalmazható, két pont között egy optikai kábelen. Az internet azonban messze nem ilyen, nem véletlenül hívják világhálónak. Az adatcsomagok nem rögzített útvonalon jutnak el a célba, hanem szerverek és routerek hálózata segít az útvonalválasztásban.

De a kutatók dolgoznak a megoldáson. Ugyanakkor még jó néhány évnek, esetleg évtizednek kell eltelnie, míg működő terméket kapunk a mostani kísérletekből. Addig nem is érdemes kidobnia a modemet.