پیشرفت بزرگ در تله‌پورت فوتون‌ها؛ گامی تازه به‌سوی اینترنت کوانتومی

دانشمندان آلمانی با تله‌پورت اطلاعات میان فوتون‌های حاصل از دو نقطه‌کوانتومی مختلف، گامی مهم به‌سوی ساخت شبکه‌های واقعی و دوربرد اینترنت کوانتومی برداشتند.

به گزارش سرویس اخبار علمی تک‌ناک، تیمی در دانشگاه اشتوتگارت برای نخستین‌بار توانسته‌اند اطلاعات کوانتومی را میان فوتون‌هایی منتقل کنند که از دو نقطه‌کوانتومی متفاوت گسیل شده‌اند.

این موفقیت یکی از پیچیده‌ترین موانع در ساخت «تکرارکننده‌های کوانتومی» را برطرف می‌کند؛ تجهیزاتی کلیدی که نقش ستون فقرات در گسترش ارتباطات کوانتومی در شبکه‌های طولانی فیبر نوری را بر عهده دارند.

در سامانه‌های اینترنت کوانتومی، تک‌فوتون‌هایی به‌کار می‌روند که قطبش آن‌ها حامل بیت‌های کوانتومی (صفر یا یک) است. هر تلاشی برای مشاهده یا شنود این حالت بلافاصله آشکار می‌شود و به همین دلیل این فناوری از امنیتی ذاتی و بی‌نظیر برخوردار است.

فوتون‌ها هنگام عبور از فیبرهای نوری به‌تدریج تضعیف می‌شوند و از آنجا که اطلاعات کوانتومی (برخلاف نور معمولی) قابل کپی یا تقویت نیست، انتقال داده در مسافت‌های طولانی به چالشی جدی تبدیل می‌شود. تکرارکننده‌های کوانتومی قرار است این مانع را با تله‌پورت اطلاعات برطرف کنند؛ فناوری‌ای که تنها با فوتون‌هایی تقریبا همسان از منابع مستقل امکان‌پذیر است.
پژوهشگران دانشگاه اشتوتگارت برای عبور از این سد، به سراغ جزایر نیمه‌رسانا در ابعاد نانومتری رفته‌اند. این «نقاط کوانتومی» قادرند فوتون‌هایی تک‌فوتونی با ویژگی‌های دقیق و کنترل‌شده تولید کنند.

پروفسور پیتر میخلر می‌گوید: «برای نخستین بار در جهان توانستیم اطلاعات کوانتومی را میان فوتون‌هایی منتقل کنیم که از دو نقطه‌کوانتومی متفاوت تولید شده‌اند.» این تیم در همکاری با موسسه لایب‌نیتس در درسدن، که توانسته نقاط کوانتومی تقریبا همسان بسازد، این موفقیت را رقم زده است.

به گفته تیم استروبل، نویسنده اصلی مقاله، «تله‌پورت فوتون‌های برخاسته از نقاط کوانتومی مختلف تاکنون ممکن نشده بود، زیرا این کار به‌طور استثنایی دشوار است.» او توضیح می‌دهد که سطوح انرژی ثابت در این ساختارها امکان تولید فوتون‌هایی دقیق، یکنواخت و قابل‌اتکا را فراهم می‌کند. استروبل می‌افزاید: «همکاران ما در موسسه لایب‌نیتس نقاط کوانتومی‌ای ساخته‌اند که تفاوت آن‌ها با یکدیگر به حداقل رسیده است.»

بیشتر بخوانید: جهش بزرگ در ارتباطات کوانتومی؛ ارتباط میان کامپیوترهای کوانتومی تا ۲۰۰۰ کیلومتر

حتما بخوانید: شبیه‌سازی چیپ کوانتومی با ۷۰۰۰ واحد پردازش گرافیکی انویدیا

01
از 02
تله‌پورت میان دو نقطه‌کوانتومی

در این آزمایش، یک نقطه‌کوانتومی وظیفه تولید فوتون تکی را بر عهده داشت و نقطه‌کوانتومی دیگر یک جفت فوتون درهم‌تنیده ایجاد می‌کرد. یکی از فوتون‌های این جفت پس از طی مسیر ۱۰ متری در یک فیبر نوری با فوتون تکی برخورد کرده و درهم‌تداخل شد؛ لحظه‌ای که در آن، حالت قطبش فوتون اولیه به شریک دوردست منتقل شد. مبدل‌های فرکانس کوانتومی دانشگاه زارلاند نیز اختلاف‌های جزئی فرکانسی را اصلاح کردند تا فوتون‌ها کاملا هم‌سان و از دید کوانتومی غیرقابل‌تشخیص شوند. به گفته پروفسور میخلر، «انتقال اطلاعات کوانتومی میان فوتون‌های حاصل از دو نقطه‌کوانتومی مختلف، گامی کلیدی برای پوشش فواصل بسیار طولانی‌تر و رسیدن به اینترنت کوانتومی است.»

این گروه پیش‌تر نشان داده بود که درهم‌تنیدگی می‌تواند در یک مسیر ۳۶ کیلومتری فیبر نوری در شهر اشتوتگارت بدون فروپاشی باقی بماند؛نشانه‌ای از اینکه کاربردهای دوربرد این فناوری کاملا دست‌یافتنی است. سامانه فعلی تله‌پورت اطلاعات را با موفقیتی کمی بیش از ۷۰ درصد انجام می‌دهد. استروبل می‌گوید هدف اصلی، افزایش این نرخ با پایدارترکردن نقاط کوانتومی است.
او تاکید می‌کند: «می‌خواهیم این نوسان‌ها را با بهبود فناوری ساخت نیمه‌رساناها تا حد امکان کاهش دهیم.»

02
از 02
گامی مهم به‌سوی اینترنت کوانتومی

این طرح بخشی از پروژه ملی Quantenrepeater.Net است که با حمایت وزارت فدرال پژوهش، فناوری و فضا در آلمان اجرا می‌شود. در این ابتکار، ۴۲ نهاد دانشگاهی و صنعتی همکاری می‌کنند تا نسل تازه‌ای از تکرارکننده‌های کوانتومی را توسعه دهند؛ تجهیزاتی که بتوانند بدون تغییر گسترده، در شبکه‌های فعلی فیبر نوری ادغام شوند. دکتر سیمونه لوکا پورتالوپی این دستاورد را «یک نقطه عطف واقعی» توصیف می‌کند و می‌گوید: «تحقق این آزمایش، آرزویی بود که سال‌ها در پی آن بودیم؛ نتیجه‌ای که ثمره سال‌ها پشتکار و پیشرفت علمی است.»
او می‌افزاید: «هیجان‌انگیز است که می‌بینیم پژوهش‌های بنیادین اکنون نخستین قدم‌های خود را به‌سمت کاربردهای عملی برمی‌دارند.»

گزارش کامل این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است.