Χρησιμοποιώντας ένα απίστευτα μικρό υλικό που ονομάζεται «νανοφωτονική πλατφόρμα», οι ερευνητές βελτίωσαν δραματικά την ικανότητα μεταφοράς κβαντικής πληροφορίας, ακόμη και με μόνο μεμονωμένα σωματίδια φωτός.
Αυτή η επανάσταση σημαίνει ότι η τηλεμεταφορά θα μπορούσε μια μέρα να είναι μέρος των πραγματικών δικτύων επικοινωνίας, ανοίγοντας την πόρτα σε ένα μέλλον όπου οι πληροφορίες διαπερνούν το διάστημα με τρόπους που κάποτε θεωρούνταν αδύνατοι.
Μη γραμμική οπτική: Το κλειδί για την κβαντική επικοινωνία
Για χρόνια, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι η χρήση «μη γραμμικών οπτικών διαδικασιών» θα μπορούσε να καταστήσει τα κβαντικά συστήματα επικοινωνίας πιο αξιόπιστα και ανθεκτικά σε ορισμένους τύπους σφαλμάτων. Ωστόσο, οι προηγούμενες προσπάθειες απέτυχαν καθώς αυτά τα συστήματα δεν μπορούσαν να λειτουργήσουν στα εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα φωτός που απαιτούνται για αληθινή κβαντική επικοινωνία.
Τώρα, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Ιλλινόις Urbana-Champaign έχει κάνει μια σημαντική ανακάλυψη. Κατασκεύασαν το μη γραμμικό τους σύστημα χρησιμοποιώντας μια «νανοφωτονική πλατφόρμα» αυξάνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα. Η προσέγγισή τους λειτουργεί με πολύ λιγότερο φως, ακόμη και σε επίπεδο μεμονωμένων φωτονίων, προσφέροντας την πρώτη πραγματική δυνατότητα για πρακτική κβαντική επικοινωνία με μη γραμμικά οπτικά.
Δραματικές βελτιώσεις στην κβαντική πιστότητα και αποδοτικότητα
«Το μη γραμμικό μας σύστημα μεταδίδει κβαντική πληροφορία με 94% πιστότητα, σε σύγκριση με το θεωρητικό ανώτατο όριο του 33% στα συστήματα που χρησιμοποιούν γραμμικά οπτικά στοιχεία», δήλωσε ο Kejie Fang, καθηγητής ηλεκτρικής και υπολογιστικής μηχανικής στο Ιλλινόις και επικεφαλής του έργου.
«Αυτό μόνο αποδεικνύει τη δύναμη της κβαντικής επικοινωνίας με μη γραμμικά οπτικά. Το μεγάλο πρόβλημα που πρέπει να λυθεί είναι η αποδοτικότητα. Χρησιμοποιώντας μια νανοφωτονική πλατφόρμα, είδαμε την αύξηση της αποδοτικότητας αρκετή ώστε να δείξουμε ότι η τεχνολογία είναι υποσχόμενη».
Η έρευνα δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters.
Κβαντική τηλεμεταφορά με μη γραμμική γεννήτρια συχνότητας
Η κβαντική τηλεμεταφορά με τη μη γραμμική γεννήτρια συχνότητας (SFG). Η νανοφωτονική πλατφόρμα μειώνει σε μεγάλο βαθμό τον θόρυβο πολλών φωτονίων και οδηγεί σε υψηλή πιστότητα τηλεμεταφοράς.
Η μετάδοση κβαντικής πληροφορίας μέσω δικτύων διευκολύνεται από το πρωτόκολλο κβαντικής τηλεμεταφοράς. Σε αυτό, το φαινόμενο της κβαντικής εμπλοκής όπου δύο κβαντικά αντικείμενα, συνήθως μεμονωμένα φωτόνια, επηρεάζουν το ένα το άλλο ακόμη και όταν δεν υπάρχει προφανής φυσική σύνδεση μεταξύ τους – εκμεταλλεύεται για να μεταφέρει κβαντική πληροφορία μεταξύ ενός αποστολέα και ενός παραλήπτη χωρίς να τη μεταφέρει μέσω ενός καναλιού επικοινωνίας.
Το πλεονέκτημα αυτής της διαδικασίας είναι ότι οι επιδράσεις του εξωτερικού θορύβου και των ατελειών του καναλιού μειώνονται σημαντικά.
Υπάρχουν δύο παράγοντες που περιορίζουν την απόδοση της κβαντικής τηλεμεταφοράς. Πρώτον, η χρήση τυπικών, γραμμικών οπτικών στοιχείων εισάγει εσωτερικές αμφιβολίες στην μετάδοση. Δεύτερον, τα εμπλεγμένα φωτόνια παράγονται με μια ατελή διαδικασία που υπόκειται σε σφάλματα και πλεόνασμα θορύβου. Ιδιαίτερα, είναι συνηθισμένο οι πηγές εμπλοκής να παράγουν περισσότερα από ένα ζευγάρι φωτονίων ταυτόχρονα, καθιστώντας ασαφές εάν τα δύο που χρησιμοποιούνται στην τηλεμεταφοράς είναι πραγματικά εμπλεγμένα.
Μη Γραμμική Οπτική: Μια λύση για τον θόρυβο πολλών φωτονίων
«Ο θόρυβος πολλών φωτονίων συμβαίνει σε όλες τις ρεαλιστικές πηγές εμπλοκής και είναι ένα σοβαρό πρόβλημα για τα κβαντικά δίκτυα», δήλωσε η Elizabeth Goldschmidt, καθηγήτρια φυσικής στο Ιλλινόις και συνε-συγγραφέας της μελέτης.
«Η ελκυστικότητα της μη γραμμικής οπτικής είναι ότι μπορεί να μετριάσει την επίδραση του θορύβου πολλών φωτονίων χάρη στη θεμελιώδη φυσική, καθιστώντας εφικτό να εργαζόμαστε με ατελείς πηγές εμπλοκής».
Οι μη γραμμικές οπτικές συνιστώσες προκαλούν τα φωτόνια διαφορετικών συχνοτήτων να συνδυάζονται και να δημιουργούν νέα φωτόνια σε νέες συχνότητες.
Για την κβαντική τηλεμεταφορά, η μη γραμμική διαδικασία που χρησιμοποιείται είναι η «γεννήτρια συχνότητας αθροίσματος» (SFG), στην οποία οι συχνότητες δύο φωτονίων προστίθενται για να σχηματίσουν ένα νέο φωτόνιο. Ωστόσο, τα δύο φωτόνια πρέπει να έχουν συγκεκριμένες αρχικές συχνότητες για να συμβεί η διαδικασία.
Βελτίωση αποδοτικότητας με γεννήτρια συχνότητας αθροίσματος
Όταν χρησιμοποιείται η SFG στην κβαντική τηλεμεταφορά, το πρωτόκολλο δεν προχωρά εάν ανιχνευτούν δύο φωτόνια ίδιας συχνότητας. Αυτό φιλτράρει τον κύριο τύπο θορύβου στις περισσότερες πηγές εμπλεγμένων φωτονίων και επιτρέπει πολύ υψηλότερες πιστότητες τηλεμεταφοράς από αυτές που θα ήταν εφικτές διαφορετικά. Το κύριο μειονέκτημα είναι ότι η μετατροπή SFG συμβαίνει με πολύ χαμηλή πιθανότητα, καθιστώντας τη διαδικασία τηλεμεταφοράς εξαιρετικά αναποτελεσματική.
«Οι ερευνητές γνωρίζουν αυτό εδώ και πολύ καιρό, αλλά δεν είχε εξερευνηθεί πλήρως λόγω της χαμηλής πιθανότητας επιτυχούς SFG», είπε ο Fang.
«Στο παρελθόν, το καλύτερο που είχε επιτευχθεί είναι 1 στα 100 εκατομμύρια. Η επίτευξή μας είναι να ελαχιστοποιήσουμε τον παράγοντα αύξησης 10.000 στην αποδοτικότητα μετατροπής σε 1 στα 10.000 με μια νανοφωτονική πλατφόρμα».
Οι ερευνητές είναι αισιόδοξοι ότι, με περαιτέρω ανάπτυξη, η κβαντική τηλεμεταφορά με μη γραμμικά οπτικά στοιχεία μπορεί να γίνει ακόμη πιο αποδοτική. Πιστεύουν ότι θα βρει χρήση σε άλλα πρωτόκολλα κβαντικής επικοινωνίας, συμπεριλαμβανομένης της ανταλλαγής εμπλοκής.