Ένας αυξανόμενος αριθμός κβαντικών μηχανικών παγκοσμίως προσπαθεί να υλοποιήσει κβαντικά δίκτυα μεγάλης κλίμακας, τα οποία αποτελούνται από συνδεδεμένους κβαντικούς υπολογιστές ή συσκευές που ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους.
Η επιτυχής ανάπτυξη αυτών των δικτύων θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για νέα, υψηλής ταχύτητας και ασφαλή συστήματα επικοινωνίας, ή ακόμα και για μια κβαντική εκδοχή του διαδικτύου.
Μια βασική πρόκληση σε αυτή την προσπάθεια είναι η διασφάλιση ότι οι κβαντικές ιδιότητες των σημάτων μικροκυμάτων μπορούν να μεταφερθούν αξιόπιστα από τη μια τοποθεσία στην άλλη. Τα σήματα αυτά είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις τυχαίες ενεργειακές διακυμάνσεις που σχετίζονται με τη θερμότητα και για τον λόγο αυτό, τα συστήματα που έχουν παρουσιαστεί μέχρι τώρα λειτουργούν συνήθως στο εσωτερικό ψυκτικών μηχανημάτων, γνωστών ως ψυγεία αραιώσεως (dilution refrigerators).
Μια νέα προσέγγιση από Γερμανούς ερευνητές
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Walther-Meißner (WMI) και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου παρουσίασαν μια νέα προσέγγιση για την επιτυχή μεταφορά κβαντικών καταστάσεων μικροκυμάτων μεταξύ δύο ξεχωριστών ψυγείων αραιώσεως, τα οποία συνδέονται με ένα θερμότερο υπεραγώγιμο καλώδιο σε θερμοκρασίες έως και 4 Kelvin.
Η εργασία τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, αποτελεί μέρος του έργου Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS).
Η ιδέα προέρχεται από θεμελιώδεις έννοιες της κατανομής της κβαντικής διεμπλοκής (entanglement) που αναπτύχθηκαν στην κβαντική οπτική και ενισχύεται από την πρόσφατη πρόοδο στους κβαντικούς υπολογισμούς με υπεραγώγιμα κυκλώματα που λειτουργούν σε συχνότητες μικροκυμάτων.
Κύριος πειραματικός στόχος ήταν η κατασκευή ενός κρυογονικού συνδέσμου που θα συνέδεε μεμονωμένους κρυοστάτες, επιτρέποντας την ενσύρματη μεταφορά σήματος σε συχνότητες μικροκυμάτων σε μακροσκοπικές αποστάσεις, λειτουργώντας ως ένα κβαντικό τοπικό δίκτυο μικροκυμάτων (Q-LAN).
Η διάδοση συζευγμένων καταστάσεων μέσω θερμότερων υπεραγωγών
Η ομάδα απέδειξε ότι τα συζευγμένα σήματα μικροκυμάτων μπορούν να διαδοθούν χωρίς να χάσουν τις κβαντικές τους ιδιότητες μέσα από σχετικά θερμά κανάλια μικροκυμάτων (υπεραγώγιμα ομοαξονικά καλώδια) σε θερμοκρασίες έως 4 Kelvin.
Η κβαντική σύμπλεξη είναι κανονικά πολύ εύθραυστη απέναντι στον θερμικό θόρυβο του περιβάλλοντος και θα αναμενόταν να εξαφανιστεί κατά τη διάδοση μέσω ενός θερμικού καναλιού στους 4 Kelvin με δεκάδες θερμικά φωτόνια. Ωστόσο, η κατάσταση αλλάζει όταν ένα τέτοιο κανάλι είναι υπεραγώγιμο και παρουσιάζει εξαιρετικά χαμηλές απώλειες.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα υπεραγώγιμα καλώδια νιοβίου-τιτανίου είναι κατάλληλα για τη μεταφορά κβαντικών καταστάσεων μικροκυμάτων ακόμη και σε υψηλότερες κρυογονικές θερμοκρασίες. Αυτό συμβαίνει επειδή οι τυχαίες θερμικές διακυμάνσεις αναμειγνύονται στο διαδιδόμενο σήμα μόνο μέσω των απωλειών στο κανάλι.
Επομένως, οι επιστήμονες μπόρεσαν να διατηρήσουν την κβαντική διεμπλοκή σε όλο το δίκτυο χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα καλώδια υψηλής ποιότητας που περιόριζαν τις απώλειες διάδοσης. Για τα πειράματα αυτά, χρησιμοποιήθηκε ένα μοναδικό πρωτότυπο σύστημα αποτελούμενο από τρεις κρυοστάτες: δύο ψυγεία αραιώσεως με κβαντικούς κόμβους σε θερμοκρασίες γύρω στα 20-50 mK και έναν ενδιάμεσο ψυχρό κόμβο με θερμοκρασία περίπου 3 K.
Η επιτυχής τηλεμεταφορά συνεκτικών καταστάσεων
Στο κβαντικό σύστημα που ανέπτυξαν, οι ερευνητές μπόρεσαν να εφαρμόσουν ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας γνωστό ως κβαντική τηλεμεταφορά. Πρόκειται για μια διαδικασία που επιτρέπει τη μεταφορά συνεκτικών καταστάσεων μικροκυμάτων από μια συσκευή σε μια άλλη, χωρίς την απευθείας αποστολή τους μέσω καλωδίων, απαιτώντας έναν πόρο σύμπλεξης και ένα σύνθετο σχήμα τοπικών μετρήσεων με κλασική επικοινωνία προώθησης (feedforward).
Η επιτυχία της μεθόδου αποδείχθηκε μέσω της μέτρησης της πιστότητας (fidelity), η οποία εκφράζει την ομοιότητα της τηλεμεταφερόμενης κατάστασης με την αρχική. Το κλασικό όριο πιστότητας για την τηλεμεταφορά άγνωστων συνεκτικών καταστάσεων μικροκυμάτων είναι 50%. Οποιαδήποτε τιμή πάνω από αυτό το όριο σημαίνει ότι η τηλεμεταφορά αποδίδει καλύτερα από κάθε κλασική επικοινωνία. Χρησιμοποιώντας το κβαντικό πρωτόκολλο, η ομάδα πέτυχε να τηλεμεταφέρει καταστάσεις μεταξύ απομακρυσμένων κρυοστατών με πιστότητα 72.3% στον 1 Kelvin και 59.9% στους 4 Kelvin.
Ανοίγοντας τον δρόμο για κλιμακώσιμα κβαντικά δίκτυα
Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τις δυνατότητες της συγκεκριμένης στρατηγικής για την υλοποίηση κβαντικών συστημάτων επικοινωνίας. Μία από τις σημαντικότερες προεκτάσεις είναι η δυνατότητα σύνδεσης μεμονωμένων, απομακρυσμένων υπεραγώγιμων κβαντικών κόμβων σε ένα μεγάλο κατανεμημένο δίκτυο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασίες που αφορούν την κλιμακώσιμη κβαντική υπολογιστική ή την κβαντική αίσθηση (quantum sensing).
Το σύστημα θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την επίδειξη πρωτοκόλλων κβαντικής διανομής κλειδιού μικροκυμάτων, προσφέροντας τεχνικές κρυπτογράφησης για ασφαλέστερες επικοινωνίες.
Τα μελλοντικά σχέδια της ομάδας περιλαμβάνουν τη μετάβαση από τους δύσκαμπτους συνδέσμους σε εύκαμπτες γραμμές μικροκυμάτων που ψύχονται με υγρό ήλιο, με απώτερο στόχο τη μεταφορά της κβαντικής επικοινωνίας μικροκυμάτων απευθείας σε θερμοκρασίες δωματίου και σε κανάλια ανοιχτού αέρα, επιτρέποντας τη διανομή κλειδιών σε εύρη συχνοτήτων συμβατά με τα πρότυπα 5G και 6G.