Ένα από τα μακροχρόνια άλυτα προβλήματα του κβαντικού κόσμου βρήκε επιτέλους τη λύση του, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τεχνολογίες τύπου τηλεμεταφοράς και για την επόμενη γενιά των κβαντικών υπολογιστών. Επιστήμονες στην Ιαπωνία ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την άμεση ανίχνευση των δυσεύρετων κβαντικών καταστάσεων W (W states), επιτυγχάνοντας ένα σημαντικό ορόσημο για την κβαντική τεχνολογία.
Η πρόκληση της ανάγνωσης των κβαντικών καταστάσεων
Η κβαντική διεμπλοκή (quantum entanglement) αποτελεί ένα από τα πιο παράξενα χαρακτηριστικά του μικρόκοσμου, περιγράφοντας την κατάσταση όπου σωματίδια – όπως τα φωτόνια – συνδέονται τόσο βαθιά, ώστε οι ιδιότητές τους δεν μπορούν να γίνουν κατανοητές μεμονωμένα. Σήμερα, η διεμπλοκή αποτελεί το βασικό συστατικό για τεχνολογίες όπως η κβαντική πληροφορική, η κβαντική τηλεμεταφορά και τα κβαντικά δίκτυα.
Ωστόσο, για την αξιοποίηση αυτών των τεχνολογιών, οι επιστήμονες δεν αρκεί απλώς να δημιουργούν συμπλεγμένες καταστάσεις, αλλά πρέπει και να τις αναγνωρίζουν με ακρίβεια. Η καθιερωμένη μέθοδος, η κβαντική τομογραφία, απαιτεί έναν αριθμό μετρήσεων που αυξάνεται εκρηκτικά όσο προστίθενται φωτόνια, δημιουργώντας σοβαρό πρόβλημα καθυστέρησης.
Η ιδανική λύση είναι η μέτρηση διεμπλοκής (entangled measurement), η οποία αναγνωρίζει ορισμένες καταστάσεις με μία μόνο προσπάθεια. Αν και αυτό είχε επιτευχθεί για τις καταστάσεις GHZ (Greenberger – Horne – Zeilinger), η κατάσταση W, ένας άλλος βασικός τύπος σύμπλεξης πολλών φωτονίων, παρέμενε απρόσιτη μέχρι σήμερα.
Στο στόχαστρο η δυσεύρετη κατάσταση W
Μια ερευνητική ομάδα από τα Πανεπιστήμια του Κιότο και της Χιροσίμα κατάφερε να καλύψει αυτό το κενό, προτείνοντας και αποδεικνύοντας πειραματικά μια μέθοδο μέτρησης σύμπλεξης για καταστάσεις W με τη χρήση τριών φωτονίων.
Η επιτυχία βασίστηκε στην εστίαση σε ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των καταστάσεων W, γνωστό ως συμμετρία κυκλικής μετατόπισης (cyclic shift symmetry). Αξιοποιώντας αυτή την ιδιότητα, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα φωτονικό κβαντικό κύκλωμα που εκτελεί έναν κβαντικό μετασχηματισμό Φουριέ (quantum Fourier transformation) για καταστάσεις W με οποιονδήποτε αριθμό φωτονίων, μετατρέποντας την κρυφή δομή της κατάστασης σε μετρήσιμο σήμα.
Μια σταθερή συσκευή από φως
Για τη δοκιμή της ιδέας, η ομάδα κατασκεύασε μια συσκευή για τρία φωτόνια χρησιμοποιώντας εξαιρετικά σταθερά οπτικά κβαντικά κυκλώματα. Το σύστημα λειτούργησε για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς την ανάγκη ενεργού εξωτερικού ελέγχου, γεγονός πολύ σημαντικό για τις μελλοντικές τεχνολογίες που δεν πρέπει να εξαρτώνται από ευαίσθητες εργαστηριακές ρυθμίσεις.
Οι ερευνητές εισήγαγαν τρία μεμονωμένα φωτόνια στη συσκευή με προσεκτικά επιλεγμένες καταστάσεις πόλωσης. Η συσκευή κατάφερε στη συνέχεια να διακρίνει διαφορετικούς τύπους καταστάσεων W τριών φωτονίων, με την πιστότητα της μέτρησης (η πιθανότητα σωστού αποτελέσματος) να φτάνει το 0,871 ± 0,039.
Η σημασία για το μέλλον των κβαντικών δικτύων
Το επίτευγμα αυτό αναμένεται να επιταχύνει την ανάπτυξη της κβαντικής τηλεμεταφοράς – η οποία αφορά τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών και όχι ύλης – καθώς και των νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας.
Η εξέλιξη αυτή έρχεται σε μια περίοδο έντονης κινητικότητας στον τομέα. Πρόσφατα πειράματα έχουν δείξει τη δυνατότητα κβαντικής τηλεμεταφοράς σε αστικά δίκτυα οπτικών ινών, καθώς και την ανάπτυξη ολοκληρωμένων φωτονικών τσιπ που μπορούν να διαχειριστούν πολύπλοκη διεμπλοκή. Καθώς τα κβαντικά δίκτυα μετακρίνονται από τα εργαστήρια στις πραγματικές υποδομές, η ανάγκη για ακριβείς μετρήσεις τέτοιων ευαίσθητων καταστάσεων γίνεται όλο και πιο επιτακτική.
Επόμενος στόχος της ερευνητικής ομάδας είναι η επέκταση της μεθόδου σε συστήματα με ακόμα μεγαλύτερο αριθμό φωτονίων, καθώς και η ενσωμάτωση των φωτονικών αυτών κυκλωμάτων σε μικρά, πρακτικά μικροτσίπ.