تله‌پورت در دنیای کوانتوم ممکن شد!

به گزارش مجله خبری نگار/ایسکانیوز، زندگی آنلاین همچنان آسیب‌پذیر است. مجرمان می‌توانند به حساب‌های بانکی نفوذ کنند یا هویت افراد را بدزدند و هوش مصنوعی نیز این حملات را پیچیده‌تر کرده است. رمزنگاری کوانتومی با بهره‌گیری از قوانین فیزیک کوانتومی، راهکاری امیدوارکننده برای حفاظت از ارتباطات در برابر استراق سمع ارائه می‌دهد. با این حال، ساخت یک اینترنت کوانتومی عملی همچنان مستلزم غلبه بر چالش‌های فنی بزرگ است. اکنون تیمی در پژوهشکده اپتیک نیمه‌هادی و رابط‌های عملکردی در دانشگاه اشتوتگارت، پیشرفت چشمگیری در یکی از دشوارترین مؤلفه‌ها یعنی «تکرارکننده کوانتومی» ایجاد کرده است. نتایج این پژوهش در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

نقاط کوانتومی؛ سکوی کوچک انتقال اطلاعات

پروفسور پیتر میکلر، رئیس پژوهشکده اپتیک نیمه‌هادی و رابط‌های عملکردی می‌گوید: برای نخستین بار در جهان، توانسته‌ایم اطلاعات کوانتومی را میان فوتون‌های تولیدشده از ۲ نقطه کوانتومی متفاوت منتقل کنیم.

برای درک اهمیت این موضوع، باید دانست که ارتباطات چگونه کار می‌کنند. زمانی که کسی پیام واتس‌اپ بفرستد یا ویدئویی پخش می‌کند، داده‌ها همیشه به صفر و یک متکی هستند و به صورت صفر و یک درمی‌آیند. ارتباطات کوانتومی نیز از همین ایده پیروی می‌کند، اما حامل اطلاعات فوتون‌های منفرد هستند. صفر یا یک از طریق قطبش فوتون (یعنی جهت‌گیری افقی یا عمودی یا برهم‌نهی هر ۲ حالت) رمزگذاری می‌شود. از آنجا که فوتون‌ها مطابق مکانیک کوانتومی رفتار می‌کنند، قطبش آنها را نمی‌توان بدون بر جای گذاشتن رد قابل‌تشخیص اندازه‌گیری کرد. یعنی هر تلاش برای شنود پیام آشکار می‌شود.

آماده‌سازی شبکه‌های کوانتومی برای فیبر نوری

مسئله مهم دیگر، سازگاری با زیرساخت اینترنت امروز است. یک اینترنت کوانتومی مقرون به‌صرفه باید بر همان فیبر‌های نوری کنونی تکیه کند. اما نور در فیبر تنها تا فاصله‌ای مشخص قابل انتقال است. سیگنال‌های معمولی هر حدود ۵۰ کیلومتر با یک تقویت‌کننده نوری تازه‌سازی می‌شوند. اما اطلاعات کوانتومی را نمی‌توان تقویت یا کپی کرد. پس این روش بی‌فایده است.

در عوض، فیزیک کوانتومی این امکان را می‌دهد که اطلاعات از یک فوتون به فوتون دیگر منتقل شود، به شرط آنکه خودِ اطلاعات نامعلوم بماند. این پدیده تله‌پورت کوانتومی نام دارد.

ساخت تکرارکننده‌های کوانتومی برای انتقال دوربرد

برای بهره بردن از تله‌پورت کوانتومی، دانشمندان تکرارکننده‌هایی طراحی می‌کنند که بتوانند اطلاعات کوانتومی را پیش از نابودی در فیبر، بازتولید کنند. این دستگاه‌ها قرار است گره‌های ضروری در یک اینترنت کوانتومی باشند. ساخت آنها دشوار بوده، زیرا تله‌پورت مستلزم آن است که فوتون‌ها از نظر ویژگی‌هایی مانند زمان‌بندی و رنگ تقریباً یکسان باشند. تولید چنین فوتون‌هایی سخت است، چون از منابع متفاوتی می‌آیند.

تیم استروبل، پژوهشگر پژوهشکده اپتیک نیمه‌هادی و رابط‌های عملکردی می‌گوید: فوتون‌های نقاط کوانتومی متفاوت تاکنون هرگز تله‌پورت نشده بودند، چون کار بسیار دشواری است.

این تیم تحقیقاتی در قالب پروژه QR.N، منابع نوری نیمه‌هادی‌ای توسعه داده‌اند که فوتون‌هایی تقریباً مطابق با یکدیگر تولید می‌کنند.

استروبل می‌گوید: در این جزایر نیمه‌هادی سطوح انرژی ثابتی وجود دارد، درست مانند یک اتم. این ساختار امکان تولید فوتون‌های منفرد با ویژگی‌های مشخص را فراهم می‌کند.

او می‌افزاید: همکاران ما در مؤسسه لایبنیتس در درسدن، نقاط کوانتومی‌ای ساخته‌اند که تنها به‌طور حداقلی با هم تفاوت دارند. به این ترتیب امکان تولید فوتون‌های تقریباً یکسان در دو محل جداگانه فراهم می‌شود.

تله‌پورت اطلاعات میان فوتون‌های تولید شده از منابع متفاوت

در دانشگاه اشتوتگارت، پژوهشگران حالت قطبش یک فوتون از یک نقطهٔ کوانتومی را به فوتونی که توسط نقطهٔ کوانتومی دوم تولید شده بود، تله‌پورت کردند. یکی از نقاط کوانتومی یک فوتون منفرد تولید می‌کند و دیگری یک جفت فوتون درهم‌تنیده.

«درهم‌تنیدگی» یعنی ۲ فوتون -حتی وقتی از هم دورند- یک حالت مشترک دارند. یکی از فوتون‌های جفت درهم‌تنیده به نقطه کوانتومی دوم فرستاده می‌شود و با فوتون آن برهم‌کنش می‌کند. وقتی این ۲ با هم همپوشانی پیدا می‌کنند، برهم‌نهی کوانتومی باعث انتقال اطلاعات از فوتون اولیه به فوتون دوردستِ جفت درهم‌تنیده می‌شود.

یکی از عناصر کلیدی این دستاورد، استفاده از مبدل‌های فرکانس کوانتومی بود؛ دستگاه‌هایی که اختلاف‌های جزئی فرکانس میان فوتون‌ها را تنظیم می‌کنند. این مبدل‌ها توسط گروه پژوهشی پروفسور کریستوف بخر، متخصص اپتیک کوانتومی در دانشگاه زارلند ساخته شده‌اند.

گام‌هایی به سوی فاصله‌های طولانی‌تر و دقت بالاتر

میکلر توضیح می‌دهد: انتقال اطلاعات کوانتومی میان فوتون‌های نقاط کوانتومی متفاوت، گامی حیاتی برای پل‌زدن روی فاصله‌های بیشتر است. در این آزمایش، ۲ نقطه کوانتومی با حدود ۱۰ متر فیبر نوری به هم متصل بودند. استروبل می‌گوید:، اما ما در تلاش برای دست‌یابی به فاصله‌های بسیار بیشتر هستیم.

پژوهش‌های پیشین نشان داده بودند که درهم‌تنیدگی فوتون‌های نقاط کوانتومی می‌تواند پس از پیمودن مسافت ۳۶ کیلومتر از داخل شهر اشتوتگارت همچنان حفظ شود. این تیم همچنین قصد دارد نرخ موفقیت تله‌پورت را—که اکنون اندکی بالاتر از ۷۰ درصد است—افزایش دهد. تغییرات درونی هر نقطه کوانتومی هنوز باعث ناسازگاری‌های کوچکی در فوتون‌ها می‌شود.

استروبل می‌گوید: می‌خواهیم این مشکل را با پیشبرد تکنیک‌های ساخت نیمه‌هادی کاهش دهیم.

دکتر سیمونه لوکا پورتالوپی، رهبر گروه در پژوهشکده اپتیک نیمه‌هادی و رابط‌های عملکردی و یکی از هماهنگ‌کنندگان مطالعه، اضافه می‌کند: دستیابی به این آزمایش یک آرزوی دیرینه بود. این نتایج حاصل سال‌ها تلاش علمی و پیشرفت است. دیدن اینکه چگونه آزمایش‌هایی که روزی صرفاً بنیادی بودند اکنون نخستین گام‌های خود را به‌سوی کاربرد‌های عملی برمی‌دارند، هیجان‌انگیز است.