این مهندسان با راه اندازی موفقیت آمیز یک شبکه کوانتومی با دو گره، گام بزرگی به سوی آینده ارتباطات کوانتومی برداشته‌اند. هر گره حاوی چند بیت کوانتومی یا کیوبیت است - واحد‌های اساسی اطلاعات در محاسبات کوانتومی.

برای دستیابی به این هدف، محققان روش جدیدی را برای توزیع موثرتر اطلاعات کوانتومی توسعه دادند. رویکرد آنها که مالتی پلکسی درهم تنیده نامیده می‌شود، به کانال‌های متعدد اجازه می‌دهد تا داده‌ها را به طور همزمان منتقل کنند. این امر با تعبیه اتم‌های ایتربیوم در داخل کریستال‌ها و اتصال آنها به حفره‌های نوری امکان پذیر شد - ساختار‌های کوچکی که نور را جذب و هدایت می‌کنند. این ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد چندین کیوبیت را قادر می‌سازد تا فوتون‌های حامل اطلاعات کوانتومی را به صورت موازی ارسال کنند.

اولین نمایش چندگانه درهم تنیدگی

آندری فاراون (لیسانس ۰۴)، پروفسور ویلیام ال. ولنتاین فیزیک کاربردی و مهندسی برق در Caltech می‌گوید: «این اولین نمایش چندگانه درهم تنیدگی در یک شبکه کوانتومی از کیوبیت‌های اسپین جداگانه است. این روش به طور قابل توجهی نرخ ارتباط کوانتومی بین گره‌ها را افزایش می‌دهد که نشان دهنده یک جهش بزرگ در این زمینه است.»

این کار در مقاله‌ای که در ۲۶ فوریه در ژورنال Nature منتشر شد، توضیح داده شده است. نویسندگان اصلی مقاله آندری راسکوک (دکترای ۲۴) هستند که اکنون دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه هاروارد است و چون-جو وو، دانشجوی کارشناسی ارشد در Caltech که کار را در آزمایشگاه فاراون به پایان رساند.

شبکه‌های کوانتومی: اینترنت آینده

همانطور که اینترنت کامپیوتر‌های کلاسیکی را که امروزه به استفاده از آنها عادت کرده‌ایم، متصل می‌کند، شبکه‌های کوانتومی آینده نیز کامپیوتر‌های کوانتومی را که در مکان‌های فیزیکی مختلف وجود دارند، به هم متصل خواهند کرد.

هنگام کار با قلمرو کوانتومی، محققان با مقیاس کوچک اتم‌ها و فوتون‌ها، ذرات اساسی نور سر و کار دارند. در این مقیاس، ماده طبق فیزیک کلاسیک رفتار نمی‌کند. در عوض، مکانیک کوانتومی در حال بازی است.

درک درهم تنیدگی کوانتومی

یکی از مهم‌ترین و عجیب‌ترین مفاهیم در مکانیک کوانتومی مفهوم درهم تنیدگی است که در آن دو یا چند جسم مانند اتم یا فوتون بدون توجه به جدایی فیزیکی آنها به طور جدایی ناپذیری به هم مرتبط هستند. این ارتباط آنقدر اساسی است که نمی‌توان یک ذره را بدون ارجاع به دیگری به طور کامل توصیف کرد. در نتیجه، اندازه‌گیری وضعیت کوانتومی یکی نیز اطلاعاتی در مورد دیگری ارائه می‌کند که کلید ارتباطات کوانتومی است.

بر تنگنا‌ها در ارتباطات کوانتومی

در ارتباطات کوانتومی، هدف استفاده از اتم‌های درهم تنیده به عنوان کیوبیت برای به اشتراک گذاری یا انتقال اطلاعات کوانتومی است. چالش کلیدی که تا کنون نرخ‌های ارتباطی را محدود کرده است، زمان لازم برای آماده سازی کیوبیت‌ها و انتقال فوتون‌ها است.

چندگانه درهم تنیدگی با استفاده از کیوبیت‌های متعدد در هر پردازنده یا گره، بر این تنگنا غلبه می‌کند. راسکوک می‌گوید: با تهیه کیوبیت‌ها و انتقال فوتون‌ها به طور همزمان، می‌توان نرخ درهم تنیدگی را متناسب با تعداد کیوبیت‌ها کاهش داد. یک رویکرد جدید با استفاده از اتم‌های ایتربیوم

در سیستم جدید، این دو گره ساختار‌های نانوساختی هستند که از کریستال‌های ایتریم ارتووانادات (YVO۴) ساخته شده‌اند. لیزر‌ها برای برانگیختن اتم‌های ایتربیوم (Yb۳+)، یک فلز خاکی کمیاب، در درون این کریستال‌ها استفاده می‌شوند و باعث می‌شوند که هر اتم فوتونی را منتشر کند که با آن درگیر می‌شود. فوتون‌ها از اتم‌ها در دو گره جداگانه سپس به یک مکان مرکزی می‌روند که در آنجا شناسایی می‌شوند. این فرآیند تشخیص یک پروتکل پردازش کوانتومی را راه‌اندازی می‌کند که منجر به ایجاد حالت‌های درهم تنیده بین جفت‌های اتم ایتربیوم می‌شود.

تبدیل یک چالش نوری به یک مزیت

هر گره دارای اتم‌های ایتربیوم زیادی در کریستال YVO۴ است، بنابراین کیوبیت‌های زیادی وجود دارد. با این حال، هر یک از آن اتم‌ها فرکانس نوری کمی متفاوتی دارند که ناشی از نقص درون کریستال است.

راسکوک می‌گوید: «این مانند یک شمشیر دو لبه است. از یک طرف، فرکانس‌های متفاوت به محققان اجازه می‌دهد لیزر‌های خود را برای هدف قرار دادن اتم‌های خاص تنظیم کنند. از سوی دیگر، دانشمندان قبلاً معتقد بودند که تفاوت‌های متناظر در فرکانس‌های فوتون، ایجاد حالت‌های کیوبیت درهم‌تنیده را غیرممکن می‌سازد.»

کنترل پیش‌خور کوانتومی: پردازش در زمان واقعی

در پروتکل جدید، اتم‌ها تحت نوعی پردازش کوانتومی مناسب در زمان واقعی زمانی که فوتون‌ها در مکان مرکزی شناسایی شدند، می‌شوند. محققان این پردازش را «کنترل پیش‌خور کوانتومی» می‌نامند.

اساساً، پروتکل ما این اطلاعات را که از زمان رسیدن فوتون دریافت کرده است می‌گیرد و یک مدار کوانتومی را اعمال می‌کند: یک سری از دروازه‌های منطقی که برای دو کیوبیت طراحی شده‌اند؛ و پس از اعمال این مدار، با یک حالت درهم تنیده باقی می‌مانیم.» راسکوک توضیح می‌دهد.

افزایش مقیاس: آینده شبکه‌های کوانتومی

پلتفرم YVO۴ این تیم می‌تواند کیوبیت‌های زیادی را در خود جای دهد—در این کار، هر گره تقریباً ۲۰ عدد دارد. یکی از نویسندگان وو می‌گوید: اما ممکن است بتوان این عدد را حداقل تا یک مرتبه بزرگی افزایش داد.

Faraon می‌گوید: «ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد یون‌های کمیاب در ترکیب با پروتکل نشان‌داده‌شده ما، راه را برای شبکه‌هایی با صد‌ها کیوبیت در هر گره هموار می‌کند. ما معتقدیم که این کار پایه‌ای محکم برای سیستم‌های ارتباطی کوانتومی با کارایی بالا بر اساس یون‌های کمیاب خاکی ایجاد می‌کند.

انتهای پیام/

اختلال در اینترنت به علت قطعی مسیر فیبر در خارج از کشور