داده‌های کوانتومی و کلاسیک: اولین اتصال همزمان در فیبر نوری

دانشمندان برای اولین بار با موفقیت داده های کوانتومی و داده های معمولی را از طریق یک فیبر نوری منفرد منتقل کردند.

این تحقیق نشان می‌دهد که داده‌های کوانتومی به شکل فوتون‌های درهم‌تنیده و داده‌های اینترنتی معمولی که به‌صورت پالس‌های لیزری ارسال می‌شوند، می‌توانند در یک کابل فیبر نوری همزیستی داشته باشند.

بیشتر تحقیقات در مورد ساخت یک اینترنت کوانتومی بر نیاز به زیرساخت جداگانه یا کانال های اختصاصی برای داده های کوانتومی برای جلوگیری از تداخل داده های ‘کلاسیک’ متمرکز شده است. اما این شبکه «هیبریدی» جدید می‌تواند راه را برای اجرای کارآمدتر ارتباطات کوانتومی با امکان اشتراک داده‌های کوانتومی و معمولی برای به اشتراک گذاشتن زیرساخت‌های مشابه هموار کند. محققان یافته های خود را در مطالعه ای که در ۵ مرداد در مجله Science Advances منتشر شد، فاش کردند.

کابل‌های فیبر نوری از رشته‌های نازک شیشه یا الیاف پلاستیکی تشکیل شده‌اند که داده‌ها را به صورت پالس‌های نوری مادون قرمز منتقل می‌کنند. این الیاف داده‌ها را از طریق کانال‌های رنگی مختلف منتقل می‌کنند، که هر کدام به یک طول موج خاص از نور مربوط می‌شود.

محققان قبلا نشان داده بودند که داده‌های کوانتومی را می‌توان از طریق یک کابل فیبر نوری استاندارد منتقل کرد، اما این آزمایش جدید اولین بار است که داده‌های کوانتومی و معمولی با هم در یک کانال رنگی مخابره می‌شوند.

ایجاد شبکه های ترکیبی چالش برانگیز است زیرا داده های کوانتومی اغلب از طریق کابل های فیبر نوری با استفاده از فوتون های درهم تنیده منتقل می شوند.

درهم تنیدگی زمانی اتفاق می‌افتد که دو کیوبیت – اساسی‌ترین واحدهای اطلاعات کوانتومی – به‌گونه‌ای به هم متصل شوند که اطلاعات بدون توجه به رابطه آنها در طول زمان یا مکان، بین آنها به اشتراک گذاشته شود. اما درهم تنیدگی حالتی بسیار حساس است که می تواند به راحتی توسط اختلالات محیطی مانند نویز یا تداخل سیگنال های دیگر مختل شود. این شامل هر گونه داده ای است که طول موج یکسانی را در یک کانال فیبر نوری به اشتراک می گذارد. این به عنوان ‘decoherence’ شناخته می شود و قطع این ارتباط باعث می شود کیوبیت ها حالت کوانتومی خود را از دست بدهند و در نتیجه داده ها از دست می روند.

مایکل کوئز، یکی از نویسندگان این مطالعه، رئیس موسسه فوتونیک در دانشگاه لایبنیتز هانوفر، در بیانیه ای گفت: برای اینکه اینترنت کوانتومی را به واقعیت تبدیل کنیم، باید فوتون های درهم تنیده را از طریق شبکه های فیبر نوری منتقل کنیم. ما همچنین می خواهیم به استفاده از فیبرهای نوری برای انتقال داده های معمولی ادامه دهیم.

برای غلبه بر این چالش‌ها، دانشمندان از تکنیکی به نام مدولاسیون فاز الکترواپتیک استفاده کردند تا فرکانس پالس‌های لیزر را به‌طور دقیق تنظیم کنند تا با رنگ فوتون‌های درهم تنیده مطابقت داشته باشند. این امر باعث می‌شود که هر دو نوع داده در یک کانال رنگی بدون اختلال در اطلاعات کوانتومی نگهداری شده توسط فوتون‌های درهم‌تنیده منتقل شوند.

به گفته دانشمندان، توانایی انتقال داده‌های کوانتومی و معمولی در یک کانال، کانال‌های رنگی دیگر در کابل فیبر نوری را برای داده‌های بیشتر آزاد می‌کند. این امر کلیدی خواهد بود تا بسیاری از کاربردهای محاسبات کوانتومی، مانند ارتباطات فوق‌ایمن و رمزنگاری کوانتومی، کاربردی‌تر و مقیاس‌پذیرتر شوند.

Kues گفت: ‘تحقیق ما گام مهمی برای ترکیب اینترنت معمولی با اینترنت کوانتومی است.’ آزمایش ما نشان می دهد که اجرای عملی شبکه های ترکیبی چگونه می تواند موفق باشد.