Σύνοψη
- Ερευνητική ομάδα από το University of Science and Technology of China κατέρριψε το ρεκόρ απόστασης κβαντικής διεμπλοκής, συνδέοντας συστήματα μνήμης μέσω οπτικής ίνας μήκους 420 χιλιομέτρων.
- Ο μηχανισμός στηρίχθηκε στη χρήση νεφών ατόμων ρουβιδίου τα οποία ψύχθηκαν με τη βοήθεια ειδικών διατάξεων λέιζερ για τη μακροπρόθεσμη διατήρηση των κβαντικών πληροφοριών.
- Οι ερευνητές εφάρμοσαν προηγμένες τεχνικές μετατροπής συχνότητας ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να ταξιδεύουν στα καθιερωμένα τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος, μειώνοντας δραστικά τις αναπόφευκτες απώλειες σήματος.
- Ξεπερνώντας το θεωρητικό όριο μεταφοράς PLOB μετά τα 320 χιλιόμετρα, το συγκεκριμένο πείραμα αποδεικνύει την πρακτική ανωτερότητα των δικτύων κβαντικής μνήμης έναντι των παραδοσιακών μεθόδων απευθείας οπτικής μετάδοσης.
Η διατήρηση της κβαντικής διεμπλοκής μεταξύ δύο απομακρυσμένων κόμβων απαιτεί τον απόλυτο έλεγχο εξαιρετικά ευαίσθητων φυσικών συστημάτων τα οποία διαταράσσονται εύκολα από την παραμικρή θερμική ή μηχανική μεταβολή του περιβάλλοντος.
Ερευνητές του University of Science and Technology of China δημοσίευσαν πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters την επιτυχή υλοποίηση ενός συστήματος διεμπλοκής μνήμης προς μνήμη που καλύπτει την πρωτοφανή απόσταση των 420 χιλιομέτρων. Η συγκεκριμένη επίδοση υπερβαίνει κατά τέσσερις φορές τα προηγούμενα καταγεγραμμένα ρεκόρ, αποδεικνύοντας ότι τα κβαντικά δίκτυα ευρείας κλίμακας αρχίζουν να μεταβαίνουν από τη θεωρητική φυσική στο πεδίο της εφαρμοσμένης μηχανικής δικτύων.
Η αρχιτεκτονική της έρευνας βασίστηκε στον διαχωρισμό του δικτύου σε δύο τερματικούς κόμβους, οι οποίοι στην ορολογία της κβαντικής κρυπτογραφίας ονομάζονται Alice και Bob, ενώ στο μέσον της διαδρομής τοποθετήθηκε ο σταθμός ελέγχου Charlie. Στους τερματικούς κόμβους, οι επιστήμονες αξιοποίησαν νέφη ατόμων ρουβιδίου ως «κβαντικές μνήμες», τα οποία ψύχθηκαν σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν μέσω συστημάτων λέιζερ, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η θερμική τους κίνηση και να παραταθεί ο χρόνος αποθήκευσης της κβαντικής κατάστασης. Όταν οι κόμβοι Alice και Bob εκπέμπουν ταυτόχρονα φωτόνια προς τον κεντρικό σταθμό Charlie, η σωστή ανίχνευση του μοτίβου συμβολής αυτών των φωτονίων επιβεβαιώνει την επιτυχή εγκαθίδρυση της κβαντικής διεμπλοκής μεταξύ των δύο απομακρυσμένων μνημών ρουβιδίου, επιτρέποντας την ανταλλαγή κβαντικών καταστάσεων χωρίς να απαιτείται η φυσική επαφή ή η μεταφορά μάζας μεταξύ των δύο άκρων.
Αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις των τηλεπικοινωνιακών δικτύων
Η μεταφορά μεμονωμένων φωτονίων μέσα από εκατοντάδες χιλιόμετρα καλωδίωσης οπτικών ινών συνοδεύεται αναπόφευκτα από δραματικές απώλειες εξαιτίας της απορρόφησης της φωτεινής ενέργειας από το ίδιο το υλικό της ίνας. Για να παρακάμψουν αυτόν τον σκόπελο, οι ερευνητές αναγκάστηκαν να μετατρέψουν τα φωτόνια που εξέπεμπαν οι κβαντικές μνήμες σε μήκη κύματος τα οποία χρησιμοποιούνται κατά κόρον από την εμπορική τηλεπικοινωνιακή βιομηχανία. Η συγκεκριμένη τεχνική μετατροπής συχνότητας επέτρεψε στα σωματίδια φωτός να ταξιδέψουν μέσα στο δίκτυο με ελάχιστες απώλειες μεταφοράς, καθιστώντας βιώσιμη τη διεξαγωγή του πειράματος σε μήκη εκατοντάδων χιλιομέτρων.
Παράλληλα, η ομάδα έπρεπε να αναπτύξει ένα εξαιρετικά προηγμένο σύστημα συνεχούς σταθεροποίησης φάσης προκειμένου να καταπολεμήσει τον περιβαλλοντικό θόρυβο. Ακόμη και μια ανεπαίσθητη μεταβολή της θερμοκρασίας κατά μήκος της οπτικής ίνας ή ένας ανεπαίσθητος κραδασμός στο περιβάλλον μπορούν να αλλοιώσουν το μοτίβο συμβολής, καταστρέφοντας άμεσα τη διεμπλοκή. Το νέο σύστημα σταθεροποίησης διόρθωνε αδιάκοπα αυτές τις μικροδιακυμάνσεις, διασφαλίζοντας ότι ο κβαντικός συγχρονισμός θα παρέμενε άθικτος καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Επιπλέον, υλοποίησαν ένα καινοτόμο σχήμα διεμπλοκής που βασίζεται στην επιβίωση ενός μόνο φωτονίου κατά τη διαδρομή, αντί για δύο, γεγονός που βελτίωσε θεαματικά την αποδοτικότητα της συνολικής διάταξης, διευρύνοντας το ωφέλιμο μήκος του καλωδίου.
Η υπέρβαση του ορίου PLOB και η αρχιτεκτονική επόμενης γενιάς
Ένα από τα πιο σημαντικά επιστημονικά συμπεράσματα της μελέτης επικεντρώνεται στην αδιαμφισβήτητη κατάρριψη ενός αυστηρού θεωρητικού ορίου γνωστού ως PLOB bound, το οποίο διατυπώθηκε το 2017 και καθορίζει τη μέγιστη δυνατή χωρητικότητα ενός κβαντικού καναλιού μετάδοσης δεδομένων όταν δεν χρησιμοποιούνται repeaters. Το όριο αυτό ουσιαστικά υποδεικνύει ότι όσο αυξάνεται η απόσταση μετάδοσης μέσω μιας ίνας με απώλειες, ο ρυθμός μεταφοράς κβαντικής πληροφορίας μειώνεται δραματικά. Η ερευνητική ομάδα απέδειξε στην πράξη ότι όταν η απόσταση ξεπερνά τα 320 χιλιόμετρα, το σύστημα που βασίζεται στις κβαντικές μνήμες αρχίζει να αποδίδει αισθητά καλύτερα σε σχέση με το μέγιστο θεωρητικό όριο της απευθείας οπτικής μετάδοσης. Η εξέλιξη αυτή επιβεβαιώνει την αρχική θεωρία που υποστήριζε ότι τα μελλοντικά κβαντικά δίκτυα θα πρέπει αναγκαστικά να ενσωματώνουν ενδιάμεσους σταθμούς μνήμης προκειμένου να λειτουργήσουν σε διηπειρωτική κλίμακα, εγκαταλείποντας την προσέγγιση των παθητικών οπτικών συνδέσεων.
Η δυνατότητα υλοποίησης ρυθμών διεμπλοκής υψηλής ταχύτητας σε μικρότερες αποστάσεις της τάξης των 100 χιλιομέτρων ανοίγει πλέον τεράστιες προοπτικές για την κατασκευή λειτουργικών κβαντικών επαναληπτών, οι οποίοι θα επιτρέπουν την αλυσιδωτή διασύνδεση τέτοιων συστημάτων. Συνδυάζοντας αυτή την τεχνολογία με συστήματα αποθήκευσης φωτός σε οπτικά πλέγματα που μπορούν να διατηρήσουν την κβαντική κατάσταση για κλάσματα του δευτερολέπτου, οι επιστήμονες διαθέτουν πλέον τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία για τη δημιουργία εκτεταμένων δικτύων επικοινωνίας εγγυημένης ασφάλειας έναντι οποιασδήποτε μορφής υποκλοπής ή αποκρυπτογράφησης, ακόμα και από υπέρ-υπολογιστές τεχνητής νοημοσύνης.
