دقت ۹۹ درصدی در شبکه‌های کوانتومی؛ گامی بزرگ به سوی اینترنت کوانتومی جهانی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در گامی مهم به سوی تحقق چشم‌انداز شبکه‌های کوانتومی، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین (UIUC) به یک موفقیت مهم دست یافته است.

ارتباطات کوانتومی بر درهم‌تنیدگی متکی است، پدیده‌ای که در آن ذرات در فواصل دور به هم متصل می‌مانند، اما سیستم‌های استاندارد مبتنی بر اتم از طول موج‌های نوری استفاده می‌کنند که هنگام انتقال از طریق فیبر‌های نوری مسافت طولانی، تضعیف می‌شوند.

کار جدید آنها با موفقیت از آرایه‌ای از اتم‌های ایتربیوم-۱۷۱ برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده مستقیماً در طول موج باند مخابراتی استفاده کرد.

به گفته محققان، این رویکرد نوآورانه نویدبخش دور زدن افت کارایی و اختلالات سیگنال است که قبلاً با تبدیل نور ایجاد می‌شد و راه را برای ارتباطات کوانتومی جهانی سریع‌تر، ایمن‌تر و قوی‌تر هموار می‌کند.

این تیم در چکیده تحقیق خود گفت: «با تصویربرداری از آرایه اتم بر روی یک آرایه فیبر نوری، ما همچنین یک پروتکل شبکه موازی پیاده‌سازی می‌کنیم که می‌تواند نرخ درهم‌تنیدگی از راه دور را متناسب با تعداد کانال‌ها افزایش دهد.»

اتصال فوتون-اتم

محققان با استفاده از آرایه‌هایی از اتم‌های ¹۷¹Yb که به دلیل پتانسیلشان در ارتباطات کوانتومی از راه دور شناخته شده‌اند، یک شبکه کوانتومی توسعه دادند. این دستاورد نشان‌دهنده پیشرفت مهمی در جهت ساخت پردازنده‌های کوانتومی به هم پیوسته است که قادر به پشتیبانی از محاسبات کوانتومی توزیع‌شده و زمان‌بندی دقیق از طریق شبکه‌های ساعت اتمی هستند.

محققان از یک حالت شبه‌پایدار در ¹۷¹Yb استفاده کردند که دارای یک گذار نسبتاً پهن در طول موج ۱۳۸۹ نانومتر است و امکان ایجاد درهم‌تنیدگی کدگذاری شده با سطل زمان با دقت بالا بین یک اتم واحد و یک فوتون باند مخابراتی را فراهم می‌کند. این رویکرد سازگاری با زیرساخت‌های فیبر نوری موجود را تضمین می‌کند و انتقال کارآمد اطلاعات کوانتومی را در فواصل طولانی تسهیل می‌کند.

این تیم نشان داد که ایجاد درهم‌تنیدگی و جمع‌آوری تک‌فوتون می‌تواند به‌طور همزمان در چندین اتم با نمایش آرایه اتمی یک‌بعدی آنها بر روی یک آرایه فیبر تجاری اتفاق بیفتد. مقیاس‌پذیری و عملکرد شبکه‌های کوانتومی با این موازی‌سازی تا حد زیادی بهبود می‌یابد و ما را یک قدم به سیستم‌های ارتباط کوانتومی در دنیای واقعی که می‌توانند رایانه‌ها و حسگر‌های کوانتومی را در سراسر جهان به هم متصل کنند، نزدیک‌تر می‌کند.

محققان با موفقیت یک معماری شبکه کوانتومی مقیاس‌پذیر را نشان دادند که به خوبی در گره‌های متصل متعدد عمل می‌کند. تحقیقات محققان نشان داد که پیکربندی موازی آنها به‌طور مداوم درهم‌تنیدگی یکنواخت و با دقت بالا را با تداخل کم بین مکان‌ها ایجاد می‌کند، که شرط لازم برای ارتباط کوانتومی قابل اعتماد است.

سیستم‌های کوانتومی هماهنگ‌شده

برای بهبود بیشتر پایداری و یکپارچگی داده‌ها، این تیم یک پروتکل شبکه میان‌مدار توسعه داد، تکنیکی که برای حفظ انسجام کیوبیت‌های داده در طول عملیات شبکه طراحی شده است. این امر تضمین می‌کند که اطلاعات کوانتومی حتی با برقراری چندین اتصال همزمان، پایدار باقی بمانند.

طبق گفته Phys.org، محققان با شناسایی محدودیت‌های تکنولوژیکی و فیزیکی، متغیر‌های مؤثر بر صحت درهم‌تنیدگی اتم-فوتون کدگذاری شده در سطل زمان را به طور کامل بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که با کمی بهبود فنی، می‌توان به نرخ صحت ۹۹ درصدی دست یافت. نکته مهم این است که آنها تأیید کردند که آرایه فیبر سیستم، اشتباهات اضافی ایجاد نمی‌کند که عملکرد درهم‌تنیدگی را مختل کند.

معماری هندسی آرایه اتمی ¹¹Yb که شباهت زیادی به آرایه فیبری دارد، یکی از مزایای قابل توجه پلتفرم آنهاست. این سازگاری ساختاری، عملیات کوانتومی همزمان را تسهیل می‌کند و امکان ادغام روان با سیستم‌های نوری فعلی را فراهم می‌آورد.

به گفته دانشمندان، این روش می‌تواند برای انواع وظایف کوانتومی موازی، از جمله حسگری همگام‌سازی شده و محاسبات توزیع‌شده، اصلاح شود و این حوزه را به سمت شبکه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و مفید پیش ببرد.

جزئیات تحقیقات این تیم در مجله Nature Physics منتشر شده است.