Σύνοψη
- Ερευνητές του East China Normal University επέτυχαν κβαντική τηλεμεταφορά χρησιμοποιώντας 100 ανεξάρτητα κανάλια ταυτόχρονα.
- Η πληροφορία κωδικοποιήθηκε επιτυχώς σε μια εικόνα 100 pixels, η οποία αναπαριστούσε με ακρίβεια το γράμμα "Q".
- Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα πλέγμα 10x10 οπτικών καταστάσεων που λειτουργεί καθαρά οπτικά, καταργώντας την ανάγκη για την πολυπλοκότητα της μεμονωμένης ηλεκτρονικής επεξεργασίας σε κάθε κανάλι.
- Ο μέσος όρος πιστότητας (fidelity) κατά την τηλεμεταφορά μετρήθηκε στο 0,60, ποσοστό που υπερβαίνει σταθερά το αντίστοιχο κλασικό όριο του 0,52.
- Το πείραμα προσφέρει την απαραίτητη τεχνογνωσία για τη δημιουργία κβαντικών δικτύων τεράστιου εύρους ζώνης (bandwidth).
Η αρχιτεκτονική των μελλοντικών δικτύων επικοινωνίας απαιτεί ταχύτητες και χωρητικότητες που ξεπερνούν σταθερά τους περιορισμούς της κλασικής φυσικής, οδηγώντας την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα στην εντατική αναζήτηση μεθόδων μεταφοράς πληροφοριών με βάση το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement).
Αν και οι μεταφορές κβαντικών καταστάσεων έχουν αποδειχθεί πειραματικά τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιώντας φωτόνια, άτομα και qubits στερεάς κατάστασης σε αποστάσεις που αγγίζουν ακόμα και επικοινωνίες με δορυφόρους, το μεγάλο εμπόδιο στην εμπορική και ευρεία εφαρμογή τους παραμένει η δυνατότητα μαζικής κλιμάκωσης. Τα περισσότερα πειράματα μέχρι σήμερα περιορίζονταν συνήθως σε ένα ή σε εξαιρετικά μικρό αριθμό πολυπλεγμένων καναλιών επικοινωνίας, καθιστώντας τα συστήματα ανεπαρκή για τη διαχείριση τεράστιου όγκου δεδομένων.
Μια πρόσφατη ερευνητική προσπάθεια με επικεφαλής του East China Normal University έρχεται να αντιμετωπίσει άμεσα το βασικό πρόβλημα του εύρους ζώνης (bandwidth), καταφέρνοντας να τηλεμεταφέρει τις κβαντικές καταστάσεις μιας εικόνας 100 pixels μέσα από 100 ταυτόχρονα και ανεξάρτητα κανάλια.
Πώς λειτουργεί η παράλληλη κβαντική τηλεμεταφορά σε 100 κανάλια;
Η νέα αρχιτεκτονική βασίζεται σε ένα χωρικά διαχωρισμένο πλέγμα 10x10 ανεξάρτητων οπτικών καταστάσεων, όπου η καθεμία αντιστοιχεί σε ένα pixel μεταφέροντας ταυτόχρονα συνεχή μεταβλητά δεδομένα, επιτυγχάνοντας μέση πιστότητα 0,60 η οποία υπερβαίνει με σαφήνεια το κλασικό όριο του 0,52, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά οπτικά συστήματα αντί για ενεργοβόρα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχου ανά κανάλι.
Αυτή η μεθοδολογία αποτελεί τη θεμελιώδη βάση για την κατανόηση της μετάβασης από την απλή εργαστηριακή απόδειξη της αρχής στη δημιουργία απόλυτα λειτουργικών υποδομών κβαντικού διαδικτύου με εμπορικές προεκτάσεις. Κατά την παραδοσιακή σχεδιαστική προσέγγιση, η προσθήκη επιπλέον καναλιών με αποκλειστικό σκοπό την αύξηση της συνολικής χωρητικότητας απαιτεί αναπόφευκτα έναν αντίστοιχο αριθμό ξεχωριστών διατάξεων ανίχνευσης, σύνθετης διαμόρφωσης και ηλεκτρονικής επεξεργασίας feedforward. Ένα τέτοιο κατασκευαστικό μοντέλο γίνεται γρήγορα δυσκίνητο και εξαιρετικά ευάλωτο καθώς οι απαιτήσεις για παράλληλη μεταφορά δεδομένων αυξάνονται γεωμετρικά, καθιστώντας εντελώς αδύνατη τη δημιουργία τεράστιων τηλεπικοινωνιακών δικτύων που θα καλούνται να χειριστούν εκατομμύρια κβαντικές καταστάσεις ταυτόχρονα μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Η ομάδα του East China Normal University έδωσε μια δομημένη απάντηση στην πρόκληση της κλιμακούμενης πολυπλοκότητας, αναπτύσσοντας ένα αμιγώς οπτικό σύστημα ικανό να επεξεργάζεται παράλληλα τις χωρικά διαχωρισμένες καταστάσεις φωτός. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα πυκνό πλέγμα από πεπλεγμένο φως (entangled light) το οποίο αντιστοιχεί με μαθηματική ακρίβεια στις 100 χωρικές οπτικές καταστάσεις της αρχικής πηγής δεδομένων, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο την απρόσκοπτη μεταφορά της πληροφορίας χωρίς τις χρονοβόρες και ασύμφορες ηλεκτρονικές παρεμβάσεις για το κάθε κανάλι ξεχωριστά.
Η επιλογή της τηλεμεταφοράς μιας βασικής εικόνας, έστω και υπό την απλή οπτική μορφή του γράμματος "Q", προσφέρει έναν εξαιρετικό τρόπο αποτύπωσης της λειτουργίας των συνεχών μεταβλητών κβαντικών καταστάσεων στην πράξη. Να διευκρινήσουμε, βέβαια, ότι η λέξη εικόνα δεν αναφέρεται στην άμεση εξαφάνιση και στιγμιαία εμφάνιση μιας φυσικής οντότητας στο χώρο, αλλά στη μεταφορά της κβαντικής κατάστασης του οπτικού πεδίου κάθε χωρικής συνιστώσας η οποία χαρακτηρίζεται αυστηρά από το πλάτος και τις τετραγωνικές της φάσεις. Κάθε οπτική κατάσταση λειτουργεί πρακτικά ως ένα μεμονωμένο pixel που φέρει ένα κλάσμα των ψηφιακών δεδομένων που απαιτούνται για την τελική σύνθεση στην άλλη άκρη της γραμμής. Στο σημείο λήψης οι ερευνητές ανέκτησαν με απόλυτη επιτυχία την αρχική κατανομή έντασης του φωτός, ανασυνθέτοντας το αρχικό μοτίβο του γράμματος με τρόπο που αποδεικνύει την ορθότητα και σταθερότητα λειτουργίας ολόκληρης της οπτικής διάταξης.
Η αξιολόγηση της αντικειμενικής επιτυχίας σε παρόμοιες διατάξεις πραγματοποιείται πάντοτε μέσω της μέτρησης της πιστότητας, ενός κρίσιμου μαθηματικού δείκτη που κυμαίνεται αυστηρά από το μηδέν έως το ένα και αντικατοπτρίζει το πόσο ακριβώς μοιάζει η ληφθείσα κβαντική κατάσταση με τα δεδομένα της αρχικής. Προκειμένου να εξαλειφθεί κάθε πιθανότητα η μεταφορά να οφείλεται σε συμβατικές και όχι κβαντικές μεθόδους, οι φυσικοί χρησιμοποιούν ως απαράβατο μέτρο σύγκρισης το κλασικό όριο μεταφοράς, το οποίο για τη διαχείριση τέτοιων δεδομένων χωρίς τη βοήθεια της κβαντικής διεμπλοκής υπολογίζεται θεωρητικά στο 0,52. Οι λεπτομερείς μετρήσεις κατά τη διάρκεια του πειράματος έδειξαν ότι και στις 100 χωρικές οπτικές καταστάσεις η πιστότητα τηλεμεταφοράς ξεπέρασε το κλασικό όριο, καταγράφοντας έναν μέσο όρο της τάξης του 0,60 και επικυρώνοντας αδιαμφισβήτητα τον κβαντικό χαρακτήρα της πολύπλοκης διαδικασίας.
Το γεγονός ότι το προτεινόμενο σύστημα μπόρεσε να κλιμακωθεί στα 100 κανάλια περιοριζόμενο κυρίως από τη μέγιστη διαθέσιμη ισχύ του λέιζερ αντλίας, που βρισκόταν κατά προσέγγιση στο ένα Watt κατά τη διάρκεια της δοκιμής, αποδεικνύει ότι οι παραγόμενες τεχνολογικές δυνατότητες έχουν απλώς αγγίξει την αρχή μιας νέας επανάστασης. Η αναμενόμενη χρήση ισχυρότερων συστημάτων λέιζερ μελλοντικά αναμένεται να αυξήσει με γεωμετρική πρόοδο τον αριθμό των χωρικών καταστάσεων που μπορούν να διαχειριστούν οι ερευνητές ταυτόχρονα, προετοιμάζοντας το έδαφος για την τηλεμεταφορά εικόνων πολύ υψηλότερης ανάλυσης και κατά συνέπεια τη μεταφορά τεράστιων όγκων κρυπτογραφημένης πληροφορίας σε χρόνους που προσεγγίζουν τα απόλυτα όρια των φυσικών νόμων.
