Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO)
Kuantum ışınlama, kuantum bilgisinin, kaynak olarak ‘kuantum dolaşıklığı’ olarak bilinen bir fenomenin yardımıyla, biri gönderici diğeri alıcı olarak birbirinden uzak iki kuantum nesnesinin ortasına aktarılmasını sağlayan bir tekniktir. Bu işlemin benzersiz özelliği, iki tarafı birbirine bağlayan bir bağlantı kanalı üzerinden kuantum bitleri (yani kübitler) göndererek gerçek bilginin iletilmemesidir. Bunun yerine bilgi, iki nokta arasında fiziksel olarak hareket etmeden bir yerde kaybolur ve diğer noktada ortaya çıkar. Bu şaşırtıcı özellik, klasik bitlerin iletiminin eşlik ettiği kuantum dolaşıklığı yoluyla çalışır.
Bugün, kuantum bağlantısı ve kuantum ağları alanında, kuantum ışınlanmasına derin bir ilgi var; çünkü bu, daha önce oluşturulan dolaşıklığı kullanarak kuantum bitlerinin ağ düğümleri arasında çok uzun mesafelerde iletilmesine izin verecektir. Bu ilerleme, kuantum teknolojilerinin mevcut telekomünikasyon ağlarına dahil edilmesine yardımcı olacak ve bu sistemlerin sunduğu çok inançlı bağlantıyı çok uzun bir menzile yayacaktır.
Kuantum ışınlama, ışık ve element veya farklı kuantum düğümleri gibi farklı kuantum sistemleri arasında kuantum bilgisinin aktarılmasına da izin verecektir.
KUANTUM ışınlaması ilk kez 90’lı yıllarda gündeme geldi
Kuantum ışınlanma teorik olarak 1990’ların başında tanıtıldı ve dünya çapında çeşitli kümeler tarafından deneysel gösteriler yapıldı. Bilim dünyası bu deneylerin nasıl gerçekleştirileceği konusunda engin bir deneyim kazanmış olsa da, bilgilerin nasıl kolayca ışınlanabileceği ve genişletilmiş bir ağ üzerinden güvenli ve hızlı kuantum iletişiminin nasıl kurulabileceği konusunda hala cevaplanmamış bir soru var.
Bu tür bir altyapının kullanımdaki iletişim ağıyla uyumlu olması gerektiği açıktır. Ek olarak, kuantum ışınlanma protokolü, bilgiyi aslına sadık bir şekilde ve daha yüksek bir hızda iletmek için ışınlanma ölçümünün (klasik bitlerde iletilen) sonucuna dayalı olarak ışınlanan kübit üzerinde gerçekleştirilecek ‘aktif ileri besleme’ adı verilen son bir işlemi gerektirir. Bu işlem, alıcının ‘kuantum bellek’ olarak bilinen ve son işlem gerçekleştirilene kadar kübite zarar vermeden kübiti saklayabilen bir cihaza ihtiyacı olduğu anlamına gelir. Son olarak, bu kuantum bellek, gönderici ve alıcı birbirinden çok uzaktayken bilginin ışınlanma hızını en üst düzeye çıkarmak için çoklanmış bir şekilde çalışabilmelidir. Şimdiye kadar hiçbir uygulama bu üç ihtiyacı bire bir deneye dahil etmedi.
KULLANILAN TEKNİK ‘AKTİF İLERİ BESLEME’ ŞEMASI İÇERİR
Yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayınlanan bir makalede, Fotonik Bilimler Enstitüsü’nde (ICFO) ICREA Profesörü Hugues de Riedmatten liderliğindeki ICFO araştırmacıları Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac ve Samuele Grandi’den oluşan ekip, gösterdi kuantum bilgisinin uzun mesafelerde iletilebileceğini. bir fotondan katı hal kübitine, çok katlı bir kuantum hafızasında saklanan bir fotona ışınlanmayı başardığını duyurdu.
Kullanılan teknik, hafızanın çoklu modunun yanı sıra ışınlanma hızının en üst düzeye çıkarılmasına izin veren bir ‘aktif ileri besleme’ şemasının kullanılmasını içeriyordu.
Önerilen yapı, orta mesafe kuantum bağlantısı için gelecekteki entegrasyon ve ölçeklenebilirliği sağlayan bağlantı kanallarıyla uyumluydu.
KUANTUM RAYI NASIL BAŞARILI OLDU?
Araştırma grubu, bilimsel jargonda genellikle “Alice ve Bob” olarak adlandırılan iki deney düzeneği tasarladı. İki suram, taraflar arasındaki fiziksel mesafeyi simüle etmek için bir makaraya sarılı 1 kilometre uzunluğunda bir fiber optik kablo ile birbirine bağlandı.
Deneyde üç foton kullanıldı. İlk surem olan Alice’de, ekip iki dolaşık foton yaratmak için özel bir kristal kullandı: sonuç, ‘sinyal foton’ adı verilen 606 nm’lik bir birinci foton ve temas altyapısıyla uyumlu ‘boşta foton’ adı verilen ikinci bir foton oldu.
Dario Lago, yaratıldıktan sonra, “İlk 606 nm fotonu Alice’te tuttuk ve onu gelecekteki işlemler için çok katlı bir katı hal kuantum belleğinde sakladık. “Ayrıca Alice’de oluşturulan iletişim fotonunu aldık ve onu Bob adlı ikinci deney düzeneğine ulaşmak için 1 km’den fazla optik fiber gönderdik” dedi.
İkinci kurulumda, bilim adamlarının ışınlamayı amaçladıkları kuantum bitini kodlamak için üçüncü bir foton yarattığı Bob adında başka bir kristal vardı. Üçüncü foton oluşturulduktan sonra ikinci foton Alice’ten Bob’a ulaşmıştı ve ışınlanma deneyinin odak noktası burasıydı.
BİLGİLER 1 KİLOMETREDEN AZ YÜKSELDİ
İkinci ve üçüncü fotonlar, Bell Durum Ölçümü (BSM) olarak bilinen bir prosedürde birbirleriyle girişim yaptı. Bu ölçümün etkisi, ikinci ve üçüncü fotonun durumunu karıştırmaktı.
Birinci ve ikinci foton başlangıçta dolaşık olduğundan, yani ortak durumları yüksek oranda ilişkili olduğundan, Bell Durum Ölçümünün sonucu, üçüncü fotonda kodlanan bilginin, 1 kilometre mesafedeki bir kuantum hafızasında depolanan birinci fotona aktarılmasıydı. Alice.
Dario Lago ve Jelena Rakonjac bu durumu şu şekilde açıklamışlardır: “Daha önce hiç temas etmemiş olsa da aslında birinci fotonla dolaşık ve üçüncü bir foton aracılığıyla birbirine bağlanan iki fotonun ortasında bilgi aktarabiliyoruz. Bu deneyi benzersiz kılan şey, ilk fotonu gerektiği kadar uzun süre depolayabilen çok katlı bir kuantum belleği kullanmamızdır; Onun sayesinde Alice etkileşimin gerçekleştiğini öğrendiğinde, ışınlanan bilgileri protokolün gerektirdiği şekilde işleyebildik.”
Dario ve Jelena’nın bahsettiği bu süreç, daha önce bahsedilen ‘aktif ileri besleme’ tekniğiydi. BSM’nin sonucuna bağlı olarak, hafızada saklandıktan sonra ilk fotona bir faz kayması uygulandı. Bu şekilde, aynı durum ilk fotonda kalıcı olarak kodlanmış olacaktır. Bu yapılmasaydı, ışınlanma işlemlerinin yarısı boşa gidecekti.
Bununla birlikte, kuantum belleğin çok modlu olması, ışınlanma kübitinin kalitesini düşürmeden, ışınlanma hızını ortadaki 1 kilometrelik mesafenin yarattığı sınırların ötesine yükseltmelerine izin verdi. Genel olarak, bu süreç, yalnızca klasik donanımın hızıyla sınırlı tek modlu bir kuantum belleğe kıyasla üç kat daha yüksek ışınlanma hızıyla sonuçlandı.
ÖLÇEKLENEBİLİRLİK VE ENTEGRASYON
2021’de yine bu küme tarafından ilk kez gerçekleştirilen ve 10 metreyle ayrılan ve çift dalga boyuna sahip bir foton tarafından onaylanan iki çok modlu kuantum hafızanın dolaşıklığını mümkün kıldıkları daha önceki bir deney, bu deneyin öncüsüdür. Hugues de Riedmatten bunu şu şekilde tanımlamıştır:
“Kuantum ışınlanma, geleceğin kuantum interneti için çok önemli olacak, yüksek kaliteli ve uzun mesafeli iletişim sağlayacak. Amacımız, daha önce dağıtılmış dolaşıklık yoluyla giderek daha karmaşık hale gelen ağlarda kuantum ışınlanmasını gerçekleştirmektir. Katı hal kuantum düğümlerimizin katı hal ve çoğullanmış doğası, bağlantı ağıyla uyumludur ve bu, teknolojiyi fiber ağda çok uzağa yaymak için umut verici bir yaklaşım haline getiriyor.”
Şu anda daha fazla ilerleme planlanmaktadır. Grup, verimliliği ve oranları korurken bu görevin menzilini çok daha uzun mesafelere genişletmek için mevcut teknolojiyi dönüştürmeye ve geliştirmeye odaklanıyor. Buna ek olarak, uzak taraflar arasında kuantum bilgisini dağıtmak ve geleceğin iyi işleyen bir kuantum internetine erişmek için farklı kuantum düğümleri arasında bilgi aktarımı için bu tekniği incelemeyi ve kullanmayı hedefliyorlar.
Yepyeni makale Science Daily sitesinden alınmıştır. (Çeviri: Tarkan Tufan)
