انتقال ذرات کوانتومی با دقت ۹۷ درصد در فیبر نوری معمولی

پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا به دستاورد تاریخی‌ای در مسیر تحقق اینترنت کوانتومی دست یافته‌اند.

به گزارش اینترستینگ انجینیرینگ، بر اساس مقاله‌ای که در نشریه Science منتشر شده، این گروه مهندسی موفق شده است ذرات کوانتومی حاوی اطلاعات را با دقت ۹۷ درصد از طریق کابل‌های فیبر نوری تجاری موجود انتقال دهد.

گفته می‌شود این موفقیت می‌تواند راه را برای ایجاد شبکه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ بر زیرساخت‌های موجود اینترنت هموار کند.

این آزمایش با همکاری شبکه پردیس وریزون در فیلادلفیا انجام شده و در آن از یک تراشه سیلیکونی به نام "Q-chip" استفاده شده که قادر به هماهنگی اطلاعات کوانتومی و کلاسیک به صورت همزمان است.

بر این اساس، این تراشه با حفظ حالت‌های ظریف کوانتومی، امکان انتقال هر دو نوع داده را از طریق پروتکل اینترنتی (IP) فراهم می‌کند.

یکی از چالش‌های اصلی در ایجاد شبکه‌های کوانتومی، ماهیت حساس ذرات کوانتومی است. این ذرات به محض اندازه‌گیری فرو پاشیده و اطلاعات خود را از دست می‌دهند.

ییچی ژانگ، نویسنده اول مقاله و دانشجوی دکتری دانشگاه پنسیلوانیا، در این باره توضیح می‌دهد: «در شبکه‌های معمولی، داده‌ها برای هدایت به مقصد نهایی اندازه‌گیری می‌شوند. اما در شبکه‌های کاملاً کوانتومی، این کار ممکن نیست زیرا اندازه‌گیری ذرات، حالت کوانتومی را از بین می‌برد».

راه‌حل ارائه شده توسط این تیم، استفاده از سیگنال‌های کلاسیک به عنوان راهنما برای ذرات کوانتومی است.

ژانگ می‌افزاید: «سیگنال کلاسیک دقیقاً قبل از سیگنال کوانتومی حرکت می‌کند. این امکان را فراهم می‌آورد که سیگنال کلاسیک برای مسیریابی اندازه‌گیری شود، در حالی که سیگنال کوانتومی دست‌نخورده باقی می‌ماند».

این سیستم مشابه یک قطار عمل می‌کند که در آن هدایتگر کلاسیک نقش لوکوموتیو را بازی می‌کند و داده‌های کوانتومی مانند واگن‌های مهر و موم شده ای هستند که نمی‌توان بدون تخریب محتویات آن‌ها را باز کرد.

پروفسور لیانگ فنگ، استاد علوم مواد و مهندسی برق در این دانشگاه، این دستاورد را گامی مهم به جلو توصیف می‌کند: «ما توانسته‌ایم با نشان دادن اینکه یک تراشه یکپارچه می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی را در یک شبکه تجاری زنده مانند وریزون مدیریت کند و این کار را با استفاده از همان پروتکل‌های اینترنت کلاسیک انجام دهد، گامی کلیدی به سوی آزمایش‌های در مقیاس بزرگتر و اینترنت کوانتومی عملی برداریم».

یکی از نوآوری‌های کلیدی این پژوهش، سیستم تصحیح خطایی است که تیم پنسیلوانیا توسعه داده‌اند. این سیستم از سیگنال کلاسیک برای استنتاج و رفع اختلالات سیگنال کوانتومی بدون اندازه‌گیری مستقیم آن استفاده می‌کند.

این قابلیت به ویژه در محیط‌های خارج از آزمایشگاه که شبکه‌ها با نویز ناشی از نوسانات دما، لرزش‌های ساخت و ساز و حتی فعالیت‌های لرزه‌ای مواجه هستند، حیاتی است.

آزمایش‌های انجام شده نشان داد که این سیستم می‌تواند دقت بالای ۹۷ درصد را حفظ کند. از آنجا که تراشه از سیلیکون ساخته شده است، می‌توان آن را با استفاده از روش‌های ساخت موجود به تولید انبوه رساند.

در آزمایش اولیه، یک سرور و گره در فاصله یک کیلومتری از طریق فیبر نوری وریزون به هم متصل شدند. برای گسترش شبکه، تنها نیاز به تراشه‌های بیشتر متصل به خطوط موجود است.

با این حال، مقیاس‌پذیری هنوز یک چالش باقی مانده است. سیگنال‌های کوانتومی را هنوز نمی‌توان بدون از دست دادن درهم‌تنیدگی تقویت کرد که این موضوع فاصله انتقال را محدود می‌کند. هرچند سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی تاکنون ارتباطات امن در مسافت‌های طولانی را ممکن ساخته‌اند، اما آن‌ها پردازنده‌های واقعی را به هم متصل نمی‌کنند.

رابرت بروبرگ، دانشجوی دکتری و از نویسندگان این مقاله، پیشرفت فعلی را به اینترنت دهه ۱۹۹۰ تشبیه می‌کند: «این احساس شبیه روزهای اولیه اینترنت کلاسیک در دهه ۱۹۹۰ است، زمانی که دانشگاه‌ها برای اولین بار شبکه‌های خود را به هم متصل کردند. این دروازه‌ای به سوی تحولاتی گشود که هیچ‌کس نمی‌توانست پیش‌بینی کند. اینترنت کوانتومی نیز همان پتانسیل را دارد».