رانندگی در بزرگراه نوری: دستیابی به درهم‌تنیدگی کوانتومی در کابل‌های اینترنت زنده
محققان دانشگاه نورث‌وسترن در آمریکا با موفقیت درهم‌تنیدگی کوانتومی را با استفاده از کابل‌های فیبر نوری که ترافیک اینترنت را حمل می‌کردند، نشان داده‌اند. این دستاورد امکان استفاده از زیرساخت‌های جهانی موجود را برای کاربردهای حسگرها و محاسبات کوانتومی باز می‌کند، یک اطلاعیه مطبوعاتی این موضوع را بیان کرد.
محاسبات کوانتومی می‌تواند به طور بنیادین دنیای ما را تغییر دهد، زیرا قابلیت انجام محاسباتی را دارد که ممکن است برای سریع‌ترین ابرکامپیوترها دهه‌ها طول بکشد. این فناوری می‌تواند سرعت تحقیق در داروسازی، مدل‌سازی مالی و بهینه‌سازی سیستم‌ها را افزایش دهد و حتی در مبارزه ما با تغییرات اقلیمی کمک کند.
با این حال، تنها محاسبات کوانتومی کافی نخواهد بود. کاربردهای حسگرها و محاسبات کوانتومی تنها در صورتی قابل گسترش هستند که بتوان داده‌های کوانتومی را به نقاط مختلف جهان منتقل کرد، مشابه آنچه اینترنت امروز برای داده‌های باینری انجام می‌دهد.
تلپورتاسیون کوانتومی چیست؟
تلپورتاسیون کوانتومی از درهم‌تنیدگی کوانتومی استفاده می‌کند، جایی که دو ذره به هم مرتبط هستند و می‌توانند اطلاعات را بدون عبور از مسافت‌های طولانی منتقل کنند. در ارتباطات نوری، همه سیگنال‌ها با استفاده از میلیون‌ها ذره به نور تبدیل می‌شوند؛ در حالی که اطلاعات کوانتومی فقط شامل فوتون‌های واحد است. این رفتار می‌تواند ارتباطات را به دلیل ماهیت غیر قابل شنود وضعیت‌های کوانتومی آنی و امن کند.
“ تلپورتاسیون کوانتومی قابلیت ارائه اتصال کوانتومی امن بین گره‌های جغرافیایی دور از هم را دارد،” گفت پریم کومار، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه نورث‌وسترن. “اما بسیاری از مردم تصور کرده‌اند که هیچ‌کس نخواهید زیرساخت تخصصی برای ارسال ذرات نور بسازد.”
آزمایشگاه کومار نشان داده است که این کار لازم نیست، زیرا داده‌های کوانتومی می‌توانند با استفاده از کابل‌های فیبر نوری که در حال حمل داده‌های اینترنتی هستند، ارسال شوند.
درهم‌تنیدگی کوانتومی در طول کابل فیبر نوری
تیم کومار می‌دانستند که حمل داده‌های کوانتومی از طریق کابل فیبر نوری شبیه به رانندگی با دوچرخه روی یک بزرگراه پر از کامیون‌های سریع است. بنابراین، لازم بود راهی پیدا کنند تا فوتون‌هایشان را از ترافیک پر مشغله دور نگه دارند.
در مطالعات گذشته، تیم مکانیزم پراکندگی را مطالعه کرد که هنگامی که ارتباطات کلاسیک قوی و فوتون‌های واحد در حال حرکت در کابل فیبر نوری هستند، نویز ایجاد می‌کند. جردن توماس، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه کومار، از طریق ایمیل به Interesting Engineering گفت.
“ما طول‌موج‌های خاصی در باند O پیدا کردیم که می‌توانست نویز را بسیار کمتر از سطح سیگنال کوانتومی فوتون واحد ما کاهش دهد. این به ما اجازه داد تا تلپورتاسیون را در کنار ارتباطات کلاسیک بسیار پرقدرتی انجام دهیم که می‌توانست نرخ‌های داده تباری در هر ثانیه را بدون ایجاد تداخل حمل کند،” توماس در ایمیل افزود.
محققان فوتون‌های خود را در محلی قرار دادند که پراکندگی کمینه است و ارتباطات کوانتومی بدون اختلال قابل انجام باشد. برای آزمایش کار خود، تیم یک کابل فیبر نوری به طول 30 کیلومتر ایجاد کردند که در هر انتهای آن فوتون‌هایی قرار داشتند.
پس از ارسال اطلاعات کوانتومی همراه با ترافیک معمولی اینترنت از طریق کابل، محققان با استفاده از پروتکل تلپورتاسیون کوانتومی را اندازه‌گیری کرده و دریافتند که اطلاعات به طور موفقیت آمیز انتقال یافته‌اند.
برای کار آینده خود، کومار و تیمش قصد دارند آزمایش را در فاصله طولانی‌تری با استفاده از شبکه اینترنت واقعی، نه زیرساخت‌های آزمایشگاهی، انجام دهند. علاوه بر این، تیم همچنین قصد دارد نشان دهد که چگونه می‌توان درهم‌تنیدگی کوانتومی را تبادل کرد.
تبادل درهم‌تنیدگی قدم بعدی فراتر از تلپورتاسیون کوانتومی است که شامل ارسال دو کیوبیت درهم‌تنیده یا "تبادل" درهم‌تنیدگی بین ذراتی است که هرگز تعاملی نداشتند، توماس در ایمیل توضیح داد.
“این یک کاربرد دیگر است که نیاز به انجام عملیات‌هایی مانند محاسبه کوانتومی توزیع شده، حس‌سازی و تکرارگرهای کوانتومی دارد،” توماس نتیجه‌گیری کرد.
یافته‌های تحقیق در Optica منتشر شد.
