Σε μια εποχή όπου η τεχνολογική εξέλιξη τρέχει με ιλιγγιώδεις ρυθμούς, συχνά έχουμε την εντύπωση ότι οι μεγάλες ανακαλύψεις απαιτούν εξωφρενικά ακριβό εξοπλισμό και εργαστήρια βγαλμένα από ταινίες επιστημονικής φαντασίας. Ωστόσο, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Heriot-Watt του Εδιμβούργου ήρθε να ανατρέψει αυτή την πεποίθηση, πετυχαίνοντας ένα ιστορικό ορόσημο για το μέλλον των επικοινωνιών χρησιμοποιώντας, μεταξύ άλλων, μια απλή οπτική ίνα του εμπορίου.
Η είδηση, που δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature Photonics, αφορά τη δημιουργία ενός πρωτότυπου κβαντικού δικτύου που ενώνει, για πρώτη φορά παγκοσμίως, δύο ξεχωριστά μικρότερα δίκτυα σε ένα ενιαίο, πλήρως λειτουργικό σύστημα οκτώ χρηστών. Αυτό το επίτευγμα δεν αποτελεί απλώς μια εργαστηριακή επιτυχία, αλλά θέτει τα θεμέλια για το πολυαναμενόμενο «Κβαντικό Διαδίκτυο» (Quantum Internet), υποσχόμενο επικοινωνίες με απόλυτη ασφάλεια και υπολογιστική ισχύ που ξεπερνά κάθε φαντασία.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες είχαν καταφέρει να δημιουργήσουν μεμονωμένα κβαντικά δίκτυα και να διαμοιράσουν πληροφορία σε πολλούς χρήστες. Το μεγάλο εμπόδιο, ωστόσο, παρέμενε η διασύνδεση αυτών των «νησίδων». Όπως ακριβώς το σημερινό διαδίκτυο είναι ένα δίκτυο δικτύων, έτσι και το κβαντικό διαδίκτυο απαιτεί τη δυνατότητα σύνδεσης ανεξάρτητων συστημάτων που μπορούν να «συνομιλούν» μεταξύ τους.
Η ομάδα του καθηγητή Mehul Malik από τη Σχολή Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών του Heriot-Watt κατάφερε ακριβώς αυτό. «Άλλες ομάδες είχαν ήδη αποδείξει ότι μπορείς να φτιάξεις ένα μοναδικό κβαντικό δίκτυο. Αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που κάποιος καταφέρνει να συνδέσει δύο ξεχωριστά δίκτυα μεταξύ τους», δηλώνει χαρακτηριστικά ο καθηγητής Malik.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της ανακάλυψης βρίσκεται στην καρδιά του συστήματος. Αντί για πολύπλοκα και πανάκριβα εξαρτήματα σχεδιασμένα ειδικά για κβαντικές εφαρμογές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια κοινή πολύτροπη οπτική ίνα, το κόστος της οποίας δεν υπερβαίνει τα 100 ευρώ.
Η ιδιοφυΐα της προσέγγισής τους έγκειται στον τρόπο που διαχειρίστηκαν το φως. Μέσα σε μια οπτική ίνα, το φως τείνει να σκεδάζεται (να διασκορπίζεται) με χαοτικό τρόπο, κάτι που συνήθως θεωρείται πρόβλημα στις τηλεπικοινωνίες. Η ομάδα του Heriot-Watt, όμως, είδε σε αυτό το «χάος» μια ευκαιρία. Χρησιμοποίησαν τις ιδιότητες σκέδασης του φωτός για να προγραμματίσουν ένα αναδιατασσόμενο router κβαντικής διεμπλοκής. Με άλλα λόγια, μετέτρεψαν το εμπόδιο σε πόρο, επιτρέποντας στο σύστημα να κατευθύνει την πληροφορία με ακρίβεια.
Στο τεχνικό κομμάτι, το νέο δίκτυο δεν μεταφέρει απλώς δεδομένα με τον παραδοσιακό τρόπο. Βασίζεται στο φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement) — αυτό που ο Αϊνστάιν αποκαλούσε «στοιχειωμένη δράση από απόσταση». Σε αυτή την κατάσταση, δύο σωματίδια παραμένουν άρρηκτα συνδεδεμένα ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χωρίζει.
Το σύστημα των οκτώ χρηστών που ανέπτυξαν στο Εδιμβούργο μπορεί να πραγματοποιεί «κβαντική τηλεμεταφορά» (quantum teleportation) και να δρομολογεί τη διεμπλοκή κατά παραγγελία. Το πιο σημαντικό είναι ότι πέτυχαν κάτι που ονομάζεται «πολυπλεξία» (multiplexing). Μπορούν δηλαδή να εξυπηρετούν ταυτόχρονα πολλούς χρήστες —συγκεκριμένα αντάλλαξαν διεμπλοκή μεταξύ τεσσάρων χρηστών σε δύο κανάλια ταυτόχρονα— κάτι που θυμίζει τον τρόπο λειτουργίας των σύγχρονων τηλεπικοινωνιών, αλλά σε κβαντικό επίπεδο.
Γιατί όμως είναι τόσο σημαντική αυτή η εξέλιξη για τον μέσο χρήστη ή τις επιχειρήσεις; Η απάντηση βρίσκεται στην ασφάλεια και την ισχύ.
Αδιαπέραστη Ασφάλεια: Τα κβαντικά δίκτυα υπόσχονται επικοινωνίες που είναι φυσικώς αδύνατο να υποκλαπούν. Οποιαδήποτε απόπειρα παρακολούθησης καταστρέφει την κβαντική κατάσταση, προδίδοντας αμέσως τον «εισβολέα».Κατανεμημένη Κβαντική Πληροφορική: Συνδέοντας πολλούς μικρότερους κβαντικούς επεξεργαστές, μπορούμε να δημιουργήσουμε έναν υπερ-υπολογιστή με τεράστιες δυνατότητες, ικανό να λύσει προβλήματα που είναι αδύνατα για τους σημερινούς υπολογιστές (π.χ. στον σχεδιασμό φαρμάκων ή την επιστήμη υλικών).
Παρόλο που πρόκειται για μια επίδειξη σε εργαστηριακή κλίμακα, η αρχή λειτουργίας είναι πλήρως επεκτάσιμη. Η επιτυχία του πειράματος αποδεικνύει ότι η δημιουργία ενός παγκόσμιου κβαντικού διαδικτύου δεν απαιτεί απαραίτητα την αντικατάσταση όλων των υπαρχουσών υποδομών με εξωτικά υλικά, αλλά έξυπνη αξιοποίηση των φυσικών φαινομένων και των διαθέσιμων τεχνολογιών.
Το project, το οποίο χρηματοδοτήθηκε από το Συμβούλιο Έρευνας Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) στο πλαίσιο του βρετανικού κόμβου κβαντικών επικοινωνιών (Quantum Communications Hub), δείχνει τον δρόμο για τα επόμενα βήματα. Όπως επισημαίνει η ερευνητική ομάδα, το επόμενο στοίχημα είναι η εφαρμογή αυτών των αρχών σε μεγαλύτερες αποστάσεις και σε πραγματικές συνθήκες δικτύου.