Χρονικές θήκες φωτονίων και σταθερότητα σήματος δείχνουν τον δρόμο για πρακτική κβαντική επικοινωνία μέσω οπτικών ινών

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Φωτονικής Τεχνολογίας Leibniz (Leibniz IPHT) στη Γένοβα της Γερμανίας, σε συνεργασία με διεθνείς εταίρους, ανέπτυξαν δύο συμπληρωματικές μεθόδους που θα μπορούσαν να καταστήσουν την κβαντική επικοινωνία μέσω οπτικών ινών πρακτική εκτός εργαστηρίου.

Η μία προσέγγιση αυξάνει σημαντικά την ποσότητα πληροφοριών που μπορεί να κωδικοποιηθεί σε ένα μόνο φωτόνιο, ενώ η άλλη βελτιώνει τη σταθερότητα του κβαντικού σήματος σε μεγάλες αποστάσεις. Και οι δύο μέθοδοι βασίζονται σε πρότυπα τηλεπικοινωνιακά εξαρτήματα, προσφέροντας έναν ρεαλιστικό δρόμο για ασφαλή μετάδοση δεδομένων μέσω των υπαρχόντων δικτύων οπτικών ινών.

Κβαντική επικοινωνία

Από τα νοσοκομεία έως τις κυβερνητικές υπηρεσίες και τις βιομηχανικές εγκαταστάσεις-οπουδήποτε απαιτείται η ασφαλής διαχείριση ευαίσθητων δεδομένων-η κβαντική επικοινωνία θα μπορούσε μελλοντικά να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο. Αντί να μεταδίδονται ηλεκτρικά σήματα, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί μεμονωμένα σωματίδια φωτός, τα φωτόνια, κωδικοποιημένα σε εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις. Ένα βασικό πλεονέκτημα: κάθε προσπάθεια υποκλοπής ή παρέμβασης στο σήμα διαταράσσει την κβαντική κατάσταση, καθιστώντας την υποκλοπή όχι μόνο ανιχνεύσιμη αλλά και εγγενώς περιορισμένη.

Ωστόσο, η μετάβαση της κβαντικής επικοινωνίας από το εργαστήριο στον πραγματικό κόσμο εξακολουθεί να παρουσιάζει σοβαρές τεχνικές προκλήσεις. Μια ομάδα ερευνητών από τη Γερμανία και τον Καναδά αντιμετώπισε δύο από τα μεγαλύτερα ερωτήματα: Πώς μπορεί κάθε φωτόνιο να μεταφέρει περισσότερες πληροφορίες; Και πώς μπορούν τα σήματα να διατηρούνται σταθερά σε μεγάλες αποστάσεις, παρά τις παραμορφώσεις που προκαλεί η μετάδοση μέσω οπτικής ίνας;

Οι απαντήσεις τους παρουσιάζονται σε δύο πρόσφατες μελέτες που δημοσιεύθηκαν στα Nature Communications και Physical Review Letters. Η ομάδα παρουσιάζει μια νέα φωτονική πλατφόρμα που αυξάνει σημαντικά την πυκνότητα πληροφοριών ανά φωτόνιο και μια δεύτερη τεχνική που διατηρεί την πιστότητα του σήματος σε εκατοντάδες χιλιόμετρα οπτικής ίνας-και οι δύο χρησιμοποιούν ήδη υπάρχοντα τηλεπικοινωνιακά εξαρτήματα.

Φωτόνια ως φορείς δεδομένων: Κωδικοποίηση πληροφοριών σε χρονικές θήκες

Μία βασική καινοτομία βρίσκεται στη λεγόμενη «χρονική κωδικοποίηση θηκών» («time-bin encoding»). Σε αυτή τη μέθοδο, η πληροφορία μεταφέρεται από τον ακριβή χρόνο άφιξης κάθε φωτονίου-ουσιαστικά, σε ποιο από τα πολλά μικροσκοπικά χρονικά παράθυρα πέφτει. Τα παραδοσιακά συστήματα διακρίνουν μόνο δύο τέτοιες χρονικές θήκες. Η νέα πλατφόρμα, που αναπτύχθηκε από κοινού από ερευνητές στο Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) στον Καναδά και το Leibniz-IPHT, αυξάνει αυτόν τον αριθμό στις οκτώ, επιτρέποντας εντυπωσιακή αύξηση της διέλευσης δεδομένων.

«Είναι σαν ένα σύστημα συρταριών», εξηγεί ο καθηγητής Mario Chemnitz του Leibniz-IPHT και του Πανεπιστημίου Friedrich Schiller στη Γένοβα. «Αντί για ένα μόνο συρτάρι, μπορούμε τώρα να ανοίξουμε πολλά ταυτόχρονα-το καθένα μεταφέροντας το δικό του κομμάτι του μηνύματος».

Η πλατφόρμα που περιγράφεται στο Nature Communications βασίζεται σε ένα φωτονικό τσιπ ειδικού σχεδιασμού, κατασκευασμένο από νιτρίδιο του πυριτίου-ένα ιδανικό υλικό για τη διοχέτευση φωτός σε μικροσκοπική κλίμακα. Ενσωματώνει μικροσκοπικά παρεμβολόμετρα ικανά να δημιουργούν και να επεξεργάζονται εμπλεγμένα φωτόνια, χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα τηλεπικοινωνιακά εξαρτήματα εμπορίου.

Σε εργαστηριακές δοκιμές, το σύστημα μετέδωσε επιτυχώς κβαντικές πληροφορίες σε απόσταση 60 χιλιομέτρων μέσω οπτικής ίνας-την τυπική απόσταση μεταξύ δύο κόμβων δικτύου. Αυτό σημαίνει ότι περισσότεροι χρήστες θα μπορούσαν να μοιράζονται ασφαλή κβαντικά κανάλια με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης μέσω των υπαρχόντων δικτύων οπτικών ινών.

Ανθεκτικοί κβαντικοί σύνδεσμοι σε μεγάλες αποστάσεις

Μία δεύτερη πρόκληση ήταν η διατήρηση της ποιότητας του σήματος σε μεγάλες αποστάσεις. Ένα βασικό πρόβλημα είναι η διασπορά-ένα φυσικό φαινόμενο που επιμηκύνει τους παλμούς φωτός στον χρόνο, θολώνοντας τις διακρίσεις μεταξύ χρονικών θηκών. Στη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, η ομάδα έδειξε πώς να το αντιμετωπίσει.

Αντί να αναλύουν τα φωτόνια μεμονωμένα, παρακολούθησαν τον κοινό χρόνο άφιξης ζευγών φωτονίων, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται «συσχέτιση συχνοτήτων αθροίσματος» («sum-frequency correlation»). Αυτή η παράμετρος παραμένει σταθερή ακόμη και υπό ισχυρή διασπορά και, για πρώτη φορά, αξιοποιήθηκε για πρακτική επικοινωνία.

Ως αποτέλεσμα, η ομάδα επέκτεινε την εμβέλεια ενός ασφαλούς κβαντικού συνδέσμου στο ισοδύναμο των 200 χιλιομέτρων οπτικής ίνας-βελτιώνοντας ταυτόχρονα την ποιότητα του σήματος και την ανθεκτικότητα στην παρέμβαση.

«Με την πρώτη μελέτη δείχνουμε πώς να συσκευάσουμε περισσότερες πληροφορίες σε κάθε φωτόνιο», εξηγεί ο Chemnitz. «Με τη δεύτερη, δείχνουμε πώς να διασφαλίσουμε ότι αυτές οι πληροφορίες μεταφέρονται αξιόπιστα-ακόμη και σε πραγματικά δίκτυα. Οι δύο προσεγγίσεις συμπληρώνουν η μία την άλλη».

Από τη θεμελιώδη έρευνα στις πραγματικές εφαρμογές

Και οι δύο προόδους αποτελούν μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας για τη μετάβαση της κβαντικής επικοινωνίας από τη θεωρία και τα εργαστηριακά πειράματα στη πρακτική χρήση.

«Στόχος μας είναι να καταστήσουμε την κβαντική επικοινωνία βιώσιμη με συστήματα που ενσωματώνονται στην υπάρχουσα τηλεπικοινωνιακή υποδομή», λέει ο Chemnitz. «Γεφυρώνουμε το χάσμα μεταξύ θεμελιώδους έρευνας και εφαρμογής».

Στο Leibniz-IPHT, ο Chemnitz ηγείται της ομάδας νέων ερευνητών «Smart Photonics», η οποία εξερευνά τη διασταύρωση της μη γραμμικής οπτικής, της μηχανικής μάθησης και της νευρομορφικής επεξεργασίας δεδομένων-εμπνευσμένη από τον τρόπο λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ο μακροπρόθεσμος στόχος του: να μην μεταδίδεται απλώς η πληροφορία με φως, αλλά να αναλύεται και να ερμηνεύεται άμεσα μέσα σε οπτικά συστήματα-για εφαρμογές που κυμαίνονται από υπερταχείες διαγνώσεις έως ενεργειακά αποδοτική οπτική υπολογιστική.