بهره‌گیری از اتم‌ها برای ایجاد شبکه‌های کوانتومی پرسرعت و پایدار!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،تیمی از پژوهشگران دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین به رهبری جیکوب پی. کاوی موفق به توسعه روشی مقیاس‌پذیر برای ایجاد شبکه‌های کوانتومی با استفاده از آرایه‌ای از اتم‌های یتریبیوم-۱۷۱ شده‌اند. نتایج این مطالعه در نشریه Nature Physics منتشر شده است. این دستاورد می‌تواند گامی مهم در جهت تحقق شبکه‌های کوانتومی با وفاداری بالا در انتقال اطلاعات با طول موج مخابراتی باشد.

شبکه‌های کوانتومی که از اتصال رایانه‌ها حسگر‌ها یا سایر دستگاه‌های کوانتومی شکل می‌گیرند، پتانسیل ایجاد ارتباطات سریع‌تر و ایمن‌تر را دارند. اساس این شبکه‌ها بر پدیده‌ای کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی قرار دارد به این معنا که وضعیت کوانتومی یک ذره می‌تواند وضعیت ذره‌ای دیگر را حتی در فاصله‌ای دور تحت تاثیر قرار دهد.

تا کنون کیوبیت‌های مبتنی بر اتم که برای ایجاد شبکه‌های کوانتومی استفاده می‌شدند، در طول موج‌های مرئی یا فرابنفش عمل می‌کردند که برای انتقال سیگنال‌ها در مسافت‌های طولانی از طریق فیبر نوری ایده‌آل نبود. تبدیل این سیگنال‌ها به طول موج‌های مخابراتی هرچند ضروری است، معمولا باعث کاهش کارایی ارتباط و ایجاد نویز‌هایی می‌شود که می‌توانند پیوند بین کیوبیت‌ها را مختل کنند.

در این مطالعه پژوهشگران از اتم‌های یتریبیوم-۱۷۱ استفاده کردند که به دلیل حالت متاستابل طولانی‌مدت خود، پیش‌تر در ساعت‌های اتمی نوری کاربرد داشته‌اند. به گفته زیه هو همکار نویسنده مقاله این اتم‌ها در جامعه پژوهشی آرایه‌های اتمی به عنوان گزینه‌ای توانمند برای محاسبات کوانتومی و متروژی شناخته شده‌اند.

برای ایجاد شبکه کوانتومی، پژوهشگران از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد آرایه‌های اتم یتریبیوم-۱۷۱ بهره بردند که امکان ارتباط طولانی‌برد را فراهم می‌کند. شبکه آنها گامی مهم به سوی تحقق شبکه‌ای از پردازنده‌های کوانتومی است که می‌تواند محاسبات توزیع‌شده یا شبکه‌ای از ساعت‌های اتمی کوانتومی برای اندازه‌گیری دقیق زمان و کاربرد‌های سنجشی را پشتیبانی کند.

هو توضیح داد: از حالت متاستابل در اتم ۱۷۱ Yb گذرایی با طول موج ۱۳۸۹ نانومتر وجود دارد که ما از آن برای ایجاد درهم‌تنیدگی زمان‌بندی شده (time-bin encoded) بین یک اتم منفرد و یک فوتون تک با طول موج مخابراتی با وفاداری بالا استفاده کردیم.

پژوهشگران همچنین با تصویرسازی آرایه یک‌بعدی اتم‌ها روی یک آرایه فیبر تجاری نشان دادند که جمع‌آوری فوتون‌های تک و تولید درهم‌تنیدگی می‌تواند به‌صورت موازی در سراسر آرایه انجام شود. آنها این رویکرد شبکه‌ای موازی را در مجموعه‌ای از آزمایش‌ها بررسی کرده و مشاهده کردند که وفاداری درهم‌تنیدگی در تمام نقاط شبکه یکسان و تداخل بین سایت‌ها ناچیز است. علاوه بر این، تیم پژوهشی پروتکل شبکه‌سازی میانه‌مداری (mid-circuit networking protocol) را طراحی کرد که امکان حفظ همدوسی کیوبیت‌های داده در طول تلاش‌های شبکه‌سازی را فراهم می‌کند.

هو افزود: ما به‌طور دقیق عوامل فیزیکی و فنی محدودکننده وفاداری درهم‌تنیدگی زمان‌بندی شده اتم فوتون را بررسی کرده و راهکار‌های ملموسی برای بهبود آنها ارائه کردیم. از نظر عملی نشان دادیم که با ارتقای فنی می‌توان به وفاداری ۹۹ درصد دست یافت و همچنین تأیید کردیم که آرایه فیبر منبع خطای اضافی ایجاد نمی‌کند که وفاداری درهم‌تنیدگی را مختل کند.

یکی از ویژگی‌های مهم آرایه اتمی ۱۷۱ Yb شباهت هندسی آن به آرایه فیبر است. پژوهشگران بر این باورند که شبکه آنها می‌تواند برای انجام وظایف موازی عمومی مفید باشد؛ یعنی کار‌هایی که می‌توان آنها را به زیرکار‌های کوچک تقسیم کرده و همزمان توسط کیوبیت‌ها یا دستگاه‌های مختلف در شبکه تکمیل کرد.

این تحقیق می‌تواند زمینه‌ساز ایجاد شبکه‌های کوانتومی با عملکرد بالا و کاربرد‌های گسترده در محاسبات توزیع‌شده ساعت‌های اتمی و حسگر‌های کوانتومی در آینده نزدیک باشد.