اپتیک و کوانتوم

محاسبات کوانتومی برای حل برخی از انواع مهم مسائل مانند بهینه سازی ریسک مالی، رمزگشایی داده ها، طراحی مولکول ها و مطالعه خواص مواد مفید خواهد بود. با این حال، این توسعه متوقف شده است زیرا اطلاعات کوانتومی ممکن است در هنگام انتقال در فواصل طولانی از بین برود. یکی از راه‌های غلبه بر این مانع، تقسیم شبکه به بخش‌های کوچک‌تر و پیوند دادن همه آنها با یک حالت کوانتومی مشترک است.

برای انجام این کار به وسیله ای برای ذخیره اطلاعات کوانتومی و بازیابی مجدد آن نیاز است: یعنی یک دستگاه حافظه کوانتومی. این باید با دستگاه دیگری صحبت کند که در وهله اول اجازه ایجاد اطلاعات کوانتومی را می دهد. برای اولین بار، محققان چنین سیستمی را ایجاد کرده اند که این دو جزء کلیدی را به هم متصل می کند و از فیبرهای نوری معمولی برای انتقال داده های کوانتومی استفاده می کند. این موفقیت توسط محققان امپریال کالج لندن، دانشگاه ساوتهمپتون و دانشگاه های اشتوتگارت و وورزبورگ در آلمان به دست آمد که نتایج آن در Science Advances منتشر شد.

دکتر سارا توماس، نویسنده اول، از دپارتمان فیزیک در امپریال کالج لندن، گفت: "ارتباط دو دستگاه کلیدی با هم یک گام مهم رو به جلو در اجازه دادن به شبکه های کوانتومی است، و ما واقعاً هیجان زده ایم که اولین تیمی هستیم که این کار را انجام داده ایم." لوکاس واگنر، نویسنده اول، از دانشگاه اشتوتگارت، اضافه کرد: "اجازه دادن به مکان های دوردست و حتی کامپیوترهای کوانتومی برای اتصال، یک وظیفه حیاتی برای شبکه های کوانتومی آینده است." در ارتباطات از راه دور معمولی - مانند اینترنت یا خطوط تلفن - اطلاعات را می توان در فواصل دور از دست داد. برای رفع این مشکل، این سیستم‌ها از «تکرارکننده‌ها» در نقاط منظم استفاده می‌کنند که سیگنال را می‌خوانند و دوباره تقویت می‌کنند و اطمینان می‌دهند که به مقصد دست نخورده می‌رسد. با این حال، تکرار کننده های کلاسیک را نمی توان با اطلاعات کوانتومی استفاده کرد، زیرا هر تلاشی برای خواندن و کپی کردن اطلاعات باعث از بین رفتن اطلاعات می شود. این یک مزیت است، زیرا اتصالات کوانتومی را نمی توان بدون از بین بردن اطلاعات و هشدار دادن به کاربران، «بهره برداری» کرد. با این حال، برای شبکه های کوانتومی از راه دور، چالشی است که باید با آن مقابله کرد.

یکی از راه های غلبه بر این مشکل، اشتراک گذاری اطلاعات کوانتومی به شکل ذرات درهم تنیده نور یا فوتون است. فوتون‌های درهم‌تنیده به‌گونه‌ای خصوصیات را به اشتراک می‌گذارند که شما نمی‌توانید یکی را بدون دیگری درک کنید. برای به اشتراک گذاشتن درهم تنیدگی در فواصل طولانی در یک شبکه کوانتومی، به دو دستگاه نیاز دارید: یکی برای ایجاد فوتون های درهم تنیده و دیگری برای ذخیره آنها و امکان بازیابی آنها. چندین دستگاه برای ایجاد اطلاعات کوانتومی به شکل فوتون‌های درهم‌تنیده و ذخیره آن‌ها استفاده می‌شود، اما هم تولید این فوتون‌ها در صورت تقاضا و هم داشتن حافظه کوانتومی سازگار که در آن ذخیره می‌شود، محققین را برای مدت طولانی از خود دور کردند.

فوتون ها دارای طول موج های مشخصی هستند، اما دستگاه هایی برای ایجاد و ذخیره آنها اغلب برای کار با طول موج های مختلف تنظیم می شوند و از به هم پیوستن آنها جلوگیری می کنند. برای ایجاد رابط بین دستگاه ها، تیم سیستمی را ایجاد کرد که در آن هر دو دستگاه از طول موج یکسانی استفاده می کردند. یک «نقطه کوانتومی» فوتون‌های (غیر درهم‌تنیده) تولید می‌کند که سپس به یک سیستم حافظه کوانتومی منتقل می‌شوند که فوتون‌ها را در ابری از اتم‌های روبیدیم ذخیره می‌کند. لیزر حافظه را «روشن» و «خاموش» می‌کند و به فوتون‌ها اجازه می‌دهد در صورت تقاضا ذخیره و آزاد شوند. نه تنها طول موج این دو دستگاه مطابقت داشت، بلکه در همان طول موجی است که شبکه‌های مخابراتی امروزی استفاده می‌شوند – که به آن اجازه می‌دهد با کابل‌های فیبر نوری معمولی که با اتصالات اینترنتی روزمره آشنا هستند، منتقل شود.

تیم اکنون به دنبال بهبود سیستم است، از جمله اطمینان از تولید همه فوتون ها در طول موج یکسان، بهبود مدت زمان ذخیره فوتون ها و کوچکتر کردن کل سیستم. دکتر پاتریک لدینگهام از دانشگاه ساوتهمپتون، یکی از نویسندگان این مقاله، می‌گوید: با این حال، به عنوان اثبات مفهوم، این یک گام مهم به جلو است. اعضای جامعه کوانتومی مدتی است که به طور فعال این پیوند را امتحان می کنند. این شامل ما نیز می شود، که قبلاً دو بار این آزمایش را با دستگاه های مختلف حافظه و نقطه کوانتومی انجام داده ایم، به بیش از پنج سال قبل برمی گردیم، که نشان می دهد چقدر انجام آن سخت است. "

Sarah E. Thomas et al, Deterministic storage and retrieval of telecom light from a quantum dot single-photon source interfaced with an atomic quantum memory, Science Advances (2024)