Kolm teadlasrühma said üksteisest sõltumata hakkama kvantmehaanilise vägiteoga. Nad kõik näitasid, kuidas kvantpõimingut on võimalik esile kutsuda mitme kilomeetri tagant ehtsale linnale iseloomulikus keskkonnas. Põimitud osakeste omadused on omavahel seotud. Ühe osakese omaduse mõõtmine annab kohe teada teise osakese omaduse, isegi kui pole teada, kus teine osake täpselt asub, vahendab Nature News.

Uuringutega mitte seotud Innsbrucki Ülikooli füüsiku Tracy Northupi sõnul on katsed seni kõige edukamad näited kvantinterneti loomiseks vajalikust tehnoloogiast. Kaks uuringut ilmusid juba ajakirjas Nature, kolmas ootab veel võrguvaramus arXiv sõltumatute teadlaste hinnangut ja heakskiitu.

Ameerika Ühendriikides, Hiinas ja Hollandis tegutsevad teadlasrühmad suutsid katsetes luua võrguühenduse. Nad kõik kasutasid selleks valguskaablis liikuvaid valgusosakesi ehk footoneid valgusspektri infrapunakiirguse osast. 

Kvantinterneti teoks saamisel võimaldaks see luua mistahes kahe kasutaja vahele niivõrd turvalise krüpteeritud ühenduse, et sellesse on pea võimatu sisse häkkida. Kui keegi püüaks ka saadetavat infot pealt kuulata, muudaks see põimitud osakeste omadusi ja seega teaks saatja kohe, et keegi on tema teavet varastamas.

Põimituse eripära täielikult ära kasutades saaks korda saata aga palju rohkemat. Näiteks oleks võimalik ühendada kaks eraldiseisvat kvantarvutit üheks veel võimsamaks masinaks. Kvantpõimitus võimaldaks saata infot lisaks veavabamalt kui klassikalise interneti vahendusel. Kuna kvantpõimitud osakesed ei saa oma olekut juhuslikult muuta, vähendab see vigade ja moonutuste riski. 

Samuti võimaldaks uus tehnoloogia korraldada mõningaid teaduskatseid. Selle abil saaks luua teleskoobivõrgustikke, millega saavutatav lahutusvõime oleks võrreldav mitmesaja-kilomeetrise läbimõõduga teleskoobi omaga.

Laborist välja

Viimase kümnendi jooksul on astutud juba mitu kvantinterneti loomiseks vajalikku sammu. Seni on need jäänud aga laboriseinte vahele. Seal on teadlastel õnnestunud kvantpõimingut esile kutsuda laserite abil, mille vahel polnud ühtegi märkimisväärset takistust. Katsetatud on nii süsteeme, kus mõlemad laserid asuvad atmosfääris kui ka komplekte, kus üks laser asub maapinnal ja teine kosmoses.

Hollandi katset juhtinud Delfti Tehnoloogiaülikooli füüsiku Rona Hansoni sõnul on päris linnakeskkond hoopis teine tera. Teadlased on ühel meelel, et korraliku kvantnetivõrgu püstipanekuks linnas tuleb ilmselt ära kasutada juba olemasolevaid valguskaableid.

Paraku on kvantinformatsioon habras. Sageli kannavad kvantinformatsiooni pigem üksikud valgusosakesed, mitte paljudest lainetest koosnevad laserimpulsid, mida saab registreerida, võimendada ja taas edasi kiirata. Seetõttu on valgussignaali kadu mõnekümne kilomeetri järel juba nii suur, et põimitud footonite teel info edastamine kaotab oma mõtte. 

Northupi sõnul mõjutavad põimunud footoneid ka ööpäevased temperatuurikõikumised. Maapinnast kõrgemal võib signaali segada isegi tuul. Seepärast on edukas põimumiskatse linnakeskkonnas tema sõnul suur saavutus.

Kolm isemoodi lähenemist

Kõik kolm katset kasutasid katses kvantbittide talletamiseks isemoodi nn kvantmälu seadet. Kvantbitiks võib olla füüsikaline süsteem, näiteks footon või aatom. Erinevalt binaarkoodist, kus selline osake võib olla kas ühes või teises oma kahest võimalikust olekust, saab olla kvantbitt ka nende kahe oleku superpositsioonis ehk sisuliselt mõlemas korraga.

Hiina teadus- ja tehnoloogiaülikooli teadlane Pan Jian-Wei ja kolleegid kodeerisid oma uuringus kvantbitid rubiidiumi aatomipilvede kollektiivsetesse olekutesse. Kvantbiti oleku saab paika panna üheainsa valgusosakesega. Samuti on võimalik seda olekut lugeda, kui piltlikult öeldes kõditada aatomipilve nii palju, et see ühe valgusosakese välja kiirgab.

Hiinlaste töörühm pani niisugused kvantmälud püsti Hefei linna kolmes eri nurgas paiknevas laboris. Kõik laborid olid valguskaablite abil ühendatud umbes kümne kilomeetri kaugusele jääva keskse n-ö footoniserveriga. Selles väikeses võrgustikus sai põimunud olekut esile kutsuda mistahes kahe sõlmpunkti vahel. Selleks pidid kahe erineva aatompilve valgusosakesed jõudma serverisse kohale täpselt samal ajal.

Võrdluseks lõi Rona Hansoni töörühm ühenduse väikestesse teemantkristallidesse kätketud üksikute lämmastikuaatomite vahel. Kvantbitid kodeeriti lämmastiku elektroniolekutesse ja lämmastiku lähedal paiknevatesse süsinikuaatomitesse. Hollandlaste valguskaabel läbis linnaruumis käänulist 25 kilomeetri pikkust rada. Läbi Haagi eeslinna kulgedes ühendas see kahte ülikooli laborit.

USA katses kasutasid Harvardi Ülikooli füüsik Mihhail Lukin ja kolleegid samuti teemandil põhinevaid seadmeid. Nendel olid lämmastiku asemel aga räniaatomid ja nad kasutasid ära nii elekronide kui ka ränituuma kvantolekuid. Võrreldes aatomipilvedega kiirgavad üksikaatomid nupuvajutuse peale valgusosakesi kehvemini. Samas on need mitmekülgsemad, sest tulevad toime ka algelisemate kvantarvutustega.

Lukini sõnul õnnestus tema töörühmal sisuliselt ühendada kaks väikest kvantarvutit. Nendel olid mõlemad teemandipõhised seadmed katse ajal küll siiski Harvardi Ülikooli laboris. Samas püüdis töörühm linnaolusid matkida ja kasutas seadmete ühendamiseks Bostoni piirkonnas siuglevat valguskaablit. Kaabel siksakitas palju ja ületas Lukini sõnul muu hulgas kuus korda linnast läbi voolavat Charlesi jõge.

Terendavad katsumused

Hiina ja Hollandi teadlaste katses oli põimituse saavutamiseks oluline, et valgusosakesed jõuaksid keskserverisse väga täpselt õigel hetkel. Selle täpsuse saavutamine oli katse üks peamine katsumus.

Ameerika teadlased kasutasid teist katseprotokolli, kus ajastus ei pidanud olema niivõrd täpne. Selle asemel, et kvantbitte põimuma ja footoneid kiirgama panna, saatsid ameeriklased teele üheainsa footoni. Valgusosake pidi siis põimuma võrgustiku esimese sõlmpunkti räniaatomiga. Valguskaablile ringi peale tegemise järel tuli sama footon tagasi ja neeldus järgmises räniaatomis, põimides selle esimese räniaatomiga. 

Pan Jian-Wei arvutas välja, et praeguse arengutempo jätkudes peaks tema töörühm kümnendi lõpuks suutma valguskaabli vahendusel põimitust esile kutsuda enam kui 1000 kilomeetri tagant. Vahepeal peaksid osakesed seejuures läbima umbes kümmet sõlmpunkti, kasutades põiminguvahetuse nimelist protseduuri. Pan möönab, et esialgu oleks selline ühendus siiski väga aeglane, tekitades sekundis võib-olla vaid ühe põimumise.

Hansoni sõnul on järgmine samm kvantarvuti teel aga nüüd astutud. Ehkki turuletulekust on veel vara rääkida, on tehnoloogia nüüd jõudnud laborist pärismaailma. 

Kaks uuringut avaldati ajakirjas Nature ja kolmanda esmaversioon on leitav võrguvaramust arXiv.