Τα κβαντικά δίκτυα, συστήματα που αποτελούνται από διασυνδεδεμένους κβαντικούς υπολογιστές, αισθητήρες ή άλλες κβαντικές συσκευές, προσφέρουν τη δυνατότητα ταχύτερης και ασφαλέστερης επικοινωνίας. Η δημιουργία αυτών των δικτύων βασίζεται σε ένα κβαντικό φαινόμενο γνωστό ως διεμπλοκή, το οποίο δημιουργεί έναν δεσμό μεταξύ σωματιδίων ή συστημάτων, έτσι ώστε η κβαντική κατάσταση του ενός να επηρεάζει το άλλο, ακόμα και όταν βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση.
Το πρόβλημα των μη κατάλληλων μηκών κύματος
Τα άτομα που χρησιμοποιούνται ως qubits για τη δημιουργία κβαντικών δικτύων μέχρι σήμερα λειτουργούν σε μήκη κύματος του ορατού ή υπεριώδους φωτός, κάτι που δεν είναι ιδανικό για τη μετάδοση σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις μέσω οπτικών ινών. Η μετατροπή αυτών των σημάτων σε μήκη κύματος της τηλεπικοινωνιακής ζώνης μειώνει την απόδοση της επικοινωνίας και εισάγει ανεπιθύμητα σήματα που μπορούν να διαταράξουν τη σύνδεση μεταξύ των qubits.
Νέα μέθοδος με άτομα υττερβίου-171
Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόι στο Urbana-Champaign, με επικεφαλής τον καθηγητή Jacob P. Covey, κατάφερε να υλοποιήσει δίκτυο κβαντικής επικοινωνίας στην τηλεπικοινωνιακή ζώνη, χρησιμοποιώντας συστοιχία ατόμων υττερβίου-171. Η μελέτη τους, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, παρουσιάζει μια υποσχόμενη προσέγγιση για την επίτευξη υψηλής πιστότητας διεμπλοκής μεταξύ ατόμων και οπτικών φωτονίων που παράγονται απευθείας στο μήκος κύματος τηλεπικοινωνιών.
Η συμβολή του ¹⁷¹Yb και η χρήση χρονοθυρίδων
«Τα δίκτυα κβαντικών συσκευών με κοινή διεμπλοκή προσφέρουν νέες δυνατότητες στην κβαντική επιστήμη πληροφορίας», δήλωσε η Xiye Hu. «Το υττέρβιο-171, γνωστό από τα οπτικά ατομικά ρολόγια λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής της μετασταθούς του κατάστασης, έχει αναδειχθεί ως πολύτιμος υποψήφιος στην κοινότητα των συστοιχιών ατόμων».
Για την υλοποίηση του δικτύου, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν τις ιδιότητες των συστοιχιών ατόμων ¹⁷¹Yb, που είναι κατάλληλες για επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις. Από τη μετασταθή κατάσταση του ¹⁷¹Yb προκύπτει μία μετάβαση στα 1.389 nm, την οποία χρησιμοποίησαν για να επιτύχουν διεμπλοκή με χρήση χρονοθυρίδων μεταξύ ενός μεμονωμένου ατόμου και ενός φωτονίου τηλεπικοινωνιακής ζώνης.
«Με την απεικόνιση της μονοδιάστατης συστοιχίας ατόμων σε μια εμπορική συστοιχία οπτικών ινών, δείξαμε ότι η συλλογή φωτονίων και η επακόλουθη δημιουργία διεμπλοκής μπορούν να γίνουν ταυτόχρονα σε όλη τη συστοιχία», ανέφερε η Hu.
Αξιολόγηση και πρωτόκολλο ενδιάμεσης κυκλικής δικτύωσης
Η ομάδα επιβεβαίωσε την αποτελεσματικότητα της μεθόδου της σε μια σειρά δοκιμών, διαπιστώνοντας υψηλή και ομοιόμορφη πιστότητα διεμπλοκής χωρίς σημαντική παρεμβολή μεταξύ σημείων. Επίσης, ανέπτυξαν ένα «mid-circuit networking protocol», το οποίο επιτρέπει τη διατήρηση της συνοχής των qubits κατά τη διάρκεια των προσπαθειών δικτύωσης.
Βελτιώσεις και μελλοντικά σχέδια
«Μελετήσαμε λεπτομερώς τόσο τους φυσικούς όσο και τους τεχνικούς περιορισμούς στην επιτευχθείσα πιστότητα διεμπλοκής και προτείναμε συγκεκριμένες λύσεις», είπε η Hu. «Αποδείξαμε ότι η πιστότητα 99% είναι εφικτή με τεχνικές αναβαθμίσεις και ότι η συστοιχία ινών δεν εισάγει επιπλέον σφάλματα».
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της συστοιχίας ατόμων ¹⁷¹Yb είναι η γεωμετρική ομοιότητά της με συστοιχίες ινών, γεγονός που την καθιστά κατάλληλη για παράλληλες εργασίες εντός δικτύου. Οι σχεδιαστικές στρατηγικές και το πρωτόκολλο που αναπτύχθηκαν μπορούν να χρησιμοποιηθούν από άλλες ερευνητικές ομάδες για υλοποίηση παράλληλων κβαντικών δικτύων.
«Ένα από τα σημαντικότερα επόμενα βήματα είναι η αντικατάσταση του φακού με μια οπτική κοιλότητα για συλλογή φωτονίων», πρόσθεσε η Hu. «Η κοιλότητα μπορεί να βελτιώσει δραστικά την απόδοση συλλογής και τον ρυθμό δικτύωσης».
Οι ερευνητές σχεδιάζουν ήδη μια δεύτερη γενιά πειραμάτων με στόχο τη δημιουργία απομακρυσμένης διεμπλοκής μεταξύ ατόμων εντός ή μεταξύ διαφορετικών συσκευών, χρησιμοποιώντας κοιλότητα συμβατή με τη μετάβαση στα 1.389 nm.
