6 دقیقه
محققان نشان داده‌اند که امکان انتقال کوانتومی بین ذرات با استفاده از منابع نشر مبتنی بر نقاط کوانتومی که با یک فیبر نوری کوتاه به هم متصل شده‌اند وجود دارد؛ رویدادی که گامی قابل‌توجه به سوی ساخت شبکههای کوانتومی امن محسوب میشود. این آزمایش نشان میدهد فناوری نقاط کوانتومی قادر است حالت‌های کوانتومی را از طریق یک لینک اپتیکی منتقل کند و از نظر قابلیت اطمینان نتایج امیدوارکننده‌ای ارائه دهد، هرچند افزایش فاصله انتقال و ارتقای نرخ موفقیت از اهداف فنی مهم در مرحله بعدی هستند.
نحوه کار آزمایش در آزمایشگاه
در تنظیم آزمایشی گزارش‌شده، دانشمندان از نقاط کوانتومی—ساختارهای نیمههادی در مقیاس نانو که قادر به نشر فوتونهای تک به‌صورت برحسب نیاز هستند—به‌عنوان منابع حالت‌های کوانتومی استفاده کردند. دو سامانه مبتنی بر نقاط کوانتومی از طریق یک فیبر نوری تقریباً 10 متر (حدود 33 فوت) به هم متصل شدند. فوتونهای تولیدشده از هر نقطه پردازش و دخالت داده شدند تا با ایجاد تداخل مناسب، حالت کوانتومی از یک گره در گره دیگر بازتولید شود بدون آنکه ذره فیزیکی جابه‌جا شود؛ فرآیندی که به‌طور رایج به آن «انتقال کوانتومی» گفته میشود.
جزئیات عملیاتی شامل تولید فوتونهای یک‌تایی با مشخصه زمانی و طیفی مناسب، و انجام اندازهگیریهای بل-مانند برای همبستگی بین حالت‌ها بود. برای رسیدن به بازتولید حالت در گره مقصد، معمولاً لازم است اندازهگیریهای خاصی روی ترکیب فوتونها انجام شود و سپس اطلاعات کلاسیکی که از نتیجه اندازه‌گیری به‌دست می‌آید برای انجام عملیات تصحیحی (feed-forward) به گره مقصد فرستاده شود. این ترکیب از عملیات‌های کوانتومی و تبادل اطلاعات کلاسیک، مبنای پروتکلهای انتقال کوانتومی است.
از دیدگاه پیادهسازی فنی، نقاط کوانتومی مزایایی از جمله سازگاری با فرآیندهای تولید نیمههادی و امکان یکپارچهسازی با مدارهای فوتونیکی ارائه می‌دهند. با این حال، تولید فوتونهای ناهم‌قابل (indistinguishable) و کنترل نویز محیطی نیازمند تکنیک‌های پیشرفتهای مانند سردسازی کریوژنیک، تقویت انتشار با حفره‌های اپتیکی (Purcell enhancement) یا فیلترهای طیفی دقیق است تا همبستگی و فیدلیت (fidelity) لازم برای پروتکل حفظ شود.
معیارهای کلیدی و محدودیت‌ها
- طول لینک اپتیکی: تقریباً 10 متر (حدود 33 فوت).
- فیدلیت انتقال: نرخ موفقیت کمی بالاتر از 70 درصد.
- موانع فنی اصلی: افزایش فاصله انتقال و بهبود قابلیت اطمینان.
اهمیت این دستاورد برای آینده اینترنت کوانتومی
انتقال کوانتومی به معنی جابهجایی فیزیکی اجسام به سبک علمی‌تخیلی نیست؛ بلکه روشی برای انتقال اطلاعات کوانتومی به‌صورت امن است. برای ساخت یک «اینترنت کوانتومی» در مقیاس جهانی، لایه کوانتومی کارآمد و مطمئن ضروری است: این لایه میتواند یکپارچگی حالات درهم‌تنیده را حفظ کند و پروتکلهای رمزنگاری کوانتومی را ممکن سازد که شبکههای کلاسیک از پس آن برنمی‌آیند. در این چارچوب، نمایش‌هایی که از منابع مبتنی بر نقاط کوانتومی استفاده می‌کنند اهمیت ویژه‌ای دارند، زیرا این منابع با فرآیندهای صنعتی نیمههادی سازگاری دارند و میتوانند به‌صورت بالقوه بهتر و سریع‌تر مقیاس‌پذیر شوند نسبت به برخی گزینه‌های دیگر.
همچنین نقاط کوانتومی میتوانند در طول موج‌های نزدیک به باند مخابراتی یا با استفاده از مبدل فرکانسی به این باند قابل‌تنظیم باشند، امری که برای ادغام با زیرساخت‌های فیبر نوری موجود حیاتی است. توانایی تولید فوتونهای تک با نرخ بالاتر، همگنی طیفی بهتر و کنترل کیفیت فاز، از عوامل کلیدی است که باعث افزایش کارایی پروتکلهای توزیع درهمتنیدگی و کلیدهای کوانتومی میشود.
تیم تحقیقاتی تأکید کرده است که نتایج به‌دست‌آمده بیانگر بلوغ فزاینده فناوری مبتنی بر نقاط کوانتومی است و این کار یک بلوک ساختمانی مهم برای ارتباطات کوانتومی آینده به شمار می‌آید. مقاله مرتبط در نشریه Nature Communications منتشر شده است و نویسندگان متذکر شده‌اند که گسترش برد انتقال و افزایش احتمال موفقیت از اولویت‌های فوری پژوهش‌های بعدی است. این اهداف هم‌زمان نیازمند توسعه در حوزه‌های مهندسی فوتونیک، تقویت سازگاری طیفی و تکنیک‌های کاهش خطا هستند.
گام‌های بعدی و چشم‌اندازهای وسیع‌تر
کارهای آینده بر افزایش طول لینکهای اپتیکی، بهبود همسانی فوتونها (photon indistinguishability) و یکپارچهسازی روشهای کاهش خطا (error-mitigation) متمرکز خواهند بود. افزایش فاصله انتقال مستلزم ورود تکنیک‌هایی مانند سوئیچینگ به باند مخابراتی، استفاده از مبدل‌های فرکانسی کارآمد و توسعه تکرارگرهای کوانتومی (quantum repeaters) است تا تضعیف سیگنال و اثرات پراکندگی در فیبر به حداقل برسد.
بهبود همسانی فوتونها میتواند از طریق طراحی بهتر ساختارهای نقطه کوانتومی، کنترل بیشتر روی محیط اطراف (برای مثال حذف عوامل ناپایدار) و استفاده از حفره‌های اپتیکی برای افزایش نرخ انتشار و باریک‌تر کردن خط طیفی حاصل شود. تکنیک‌های همگام‌سازی زمانی و فاز نیز نقش مهمی در افزایش تداخل هونو-اُ-ماندل (HOM interference) و در نهایت فیدلیت انتقال ایفا می‌کنند.
در سطح شبکهای، اگر این چالشها حل شوند، منابع مبتنی بر نقاط کوانتومی متصل به فیبر میتوانند مسیر عملی و اقتصادی‌تری برای پیادهسازی شبکههای کوانتومی شهری یا منطقه‌ای فراهم آورند. چنین شبکه‌هایی میتوانند خدماتی نظیر توزیع کلید کوانتومی (QKD)، محاسبات توزیع‌شده کوانتومی و سنجش‌های کوانتومی با حساسیت بالا را ارائه دهند. ترکیب فناوری نقاط کوانتومی با مدارهای فوتونیک مجتمع و الکترونیک نیمههادی میتواند هزینه تولید را کاهش دهد و امکان تولید انبوه نودهای کوانتومی را فراهم سازد.
از منظر امنیتی، اجرای لایه کوانتومی به معنای افزایش امنیت تبادل اطلاعات است؛ زیرا اصول درهمتنیدگی و عدم‌قابلیت کپی حالت‌های کوانتومی به‌طور ذاتی مانع از استراق‌سمع پنهان میشود. با این حال، برای تحقق این مزیت در عمل لازم است تا نرخ‌های خطا کاهش یابند و پروتکلهای تصحیح خطا و مسیریابی کوانتومی به بلوغ برسند تا شبکههای عملیاتی قادر به ارائه سرویس پایدار و قابل‌اعتماد باشند.
در نهایت، دیدگاه بلندمدت شامل ساخت شبکههای کوانتومی متصل بین شهرها و در نهایت بین‌قاره‌ای است که در آن نقاط کوانتومی میتوانند نقش نشرکننده‌های فوتون یا گره‌های میانی در کنار تکرارگرهای کوانتومی را ایفا کنند. تحول در فناوریهای مبدل فرکانسی، ادغام نودهای فوتونیک با الکترونیک کنترل و پیشرفت در مواد نیمههادی، همگی از عوامل تعیین‌کننده در ورود این فناوری به کاربردهای واقعی خواهند بود.
منبع: sciencealert
ارسال نظر