اتصال حافظه های کوآنتومی، رکوردی جدید در فیزیک کوآنتومی

پژوهشگران دانشگاه‌های LMU و سارلند حافظه های کوآنتومی را از طریق اتصال فیبر نوری به طول 33 کیلومتر به یکدیگر پیوند داده‌اند. این دستاورد را می‌توان گام بزرگی در راستای تحقق اینترنت کوآنتومی دانست.

شبکه‌ای را تصور کنید که در آن، انتقال داده در برابر هک شدن ایمنی کامل دارد؛ اگر فیزیک‌دان‌ها به تلاش خود ادامه دهند، پدیده‌ مکانیک کوآنتومی به نام «درهم‌تنیدگی» به تحقق این تصویر کمک می‌کند. قانون ذرات درهم‌تنیده بدین قرار است: «اگر حالت یکی از ذرات درهم‌تنیده را اندازه بگیریم، حالت ذره‌ دیگر را نیز می‌توان دریافت» فرقی ندارد این ذرات درهم‌تنیده چقدر از یکدیگر دور باشند. این رابطه باعث می‌شود بدون خطر هک شدن، اطلاعات را در مسافت‌های طولانی انتقال داد.

اتصال حافظه های کوآنتومی با فیبر نوری

پژوهشگران LMU به سرپرستی هارلد وینفرتر و دانشگاه سارلند به سرپرستی کریستوف بکر، حافظه‌‌های  کوآنتومی را که 33 کیلومتر از یکدیگر فاصله داشتند، از طریق اتصال فیبر نوری به هم پیوند دادند. این مسافت، طولانی‌ترین مسیری است که تا کنون کسی توانسته است با یک فیبر نوری و مخابراتی پیوند دهد.

در‌هم‌تنیدگی وابسته به مکانیک کوآنتومی، از طریق فوتون‌هایی انجام می‌شود که حافظه های کوآنتومی ساطع می‌کنند. گام مهم پژوهشگران این بود که طول موج ذرات نوری را تغییر داده و آن را به مقدار به کاررفته در مخابرات سنتی رساندند. طبق توضیحات وینفرتر، این فرایند می‌تواند هدر رفتن فوتون‌ها را تا حد چشمگیری کاسته و حافظه های کوآنتومی را در مسافت‌های طولانی‌تر به هم پیوند دهد.

به بیان کلی می‌توان گفت شبکه‌های کوآنتومی از گره‌هایی از جنس حافظه های کوآنتومی واحد، همچون اتم‌ها، یون‌ها و نواقص شبکه‌های بلوری تشکیل می‌شوند. این گره‌ها قادر به دریافت، ذخیره و انتقال حالات کوآنتومی هستند. ارتباط میان گره‌ها می‌تواند با استفاده از ذرات نوری برقرار شود که یا از طریق هوا و یا به شیوه‌ای هدفمند از طریق فیبر نوری مورد مبادله قرار می‌گیرند. در طی آزمایشات، پژوهشگران از سیستمی متشکل از دو اتم روبیدیم، حاضر در دو آزمایشگاه LMU، استفاده کردند. این دو آزمایشگاه از طریق یک کابل فیبر نوری 700 متری به هم متصل می‌شوند که از زیر میدان اصلی دانشگاه عبور می‌کند. با افزودن فیبرهای اضافی به سیم‌ها، اتصالات تا 33 کیلومتر هم می‌توانند گسترش یابند.

تابش لیزر، اتم‌ها را برمی‌انگیزاند؛ اتم‌ها خودبه‌خود به حالت پایه برمی‌گردند و در این میان، فوتون تولید می‌کنند. از آن‌جایی که شتاب زاویه‌دار حفظ می‌شود، چرخش اتم با قطبی‌سازی فوتون تولیدشده در هم‌ می‌آمیزد. از این ذرات نوری می‌توان برای اتصال مکانیکی کوآنتومی دو اتم استفاده کرد. بدین منظور، دانشمندان این ذرات را از طریق کابل فیبر نوری به ایستگاهی فرستادند که در آن، اندازه‌گیری فوتون‌ها، درهم‌تنیدگی حافظه های کوآنتومی را نشان می‌دهد.

با این حال، نوری که حافظه های کوآنتومی تولید می‌کنند معمولاً طول موجی دارد که در طیف مرئی یا مادون قرمز قرار می‌گیرد.

بهینه‌سازی فوتون‌ها و دستیابی به اینترنت کوآنتومی

کریستوف بکر توضیح می‌دهد: «در فیبر نوری، فوتون‌ها تنها چند کیلومتر حرکت می‌کنند و سپس گم می‌شوند.» به همین دلیل، پژوهشگران طول موج فوتون‌ها را برای سفر در این کابل بهینه‌سازی کرده و با استفاده از دو مبدل فرکانس کوآنتومی، طول موج اصلی را از 780 نانومتر به 1,517 نانومتر رساندند (که به طول موج مخابراتی یعنی 1,550 نانومتر نزدیک است). باند مخابرات به یک طیف فرکانسی اشاره دارد که در آن، انتقال نور در فیبر نوری کمترین فوتون‌ها را از دست می‌دهد. بکر و همکارانش موفق شده‌اند با بازده بی‌سابقه‌ 57 درصد، این مهم را به انجام برسانند. به علاوه، کیفیت اطلاعات ذخیره شده در فوتون‌ها را نیز تا حد زیادی حفظ کرده‌اند؛ این نکته از ویژگی‌های بارز اتصال کوآنتومی است.

تیم ون لنت، نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «آن‌چه این پژوهش را متمایز می‌کند، این است که دو ذره‌ ساکن را، یعنی اتم‌هایی که به عنوان حافظه های کوآنتومی عمل می‌کنند، به هم پیوند داده است. این امر از درهم‌تنیدگی فوتون‌ها دشوارتر است، اما کاربردهای بالقوه‌ فراوانی دارد. این سیستم را می‌توان برای ساخت شبکه‌های کوآنتومی بزرگ و پیاده‌سازی پروتکل‌های ارتباط کوآنتومی ایمن به کار برد. این پژوهش گام مهمی در مسیر دستیابی به اینترنت کوآنتومی مبتنی بر زیرساخت‌های فیبر نوری به شمار می‌رود.»

جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید