ارتباط از راه دور برای انسانها چالشبرانگیز است، اما حفظ درهمتنیدگی کوانتومی در فواصل طولانی حتی دشوارتر است. هرچه فیبر نوری طولانیتر باشد، حفظ پیوند میان دو حافظه کوانتومی سختتر میشود. غلبه بر این “استبداد فاصله” یکی از بزرگترین چالشهای ارتباطات کوانتومی بوده است.
اما تیمی از فیزیکدانان در دانشگاه علوم و فناوری چین، با موفقیت رکورد جدیدی در زمینه درهمتنیدگی ماده-به-ماده از طریق فیبر نوری به ثبت رساندهاند. آنها توانستند حافظههای کوانتومی را در فاصلهای ۴۲۰ کیلومتری از طریق فیبر نوری به هم مرتبط کنند، که این میزان بیش از چهار برابر رکوردهای قبلی است.
این دستاورد که در مجله نام مجله فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است، راه را برای کاربردهای شبکههای کوانتومی در مقیاسی فراتر از شهرهای بزرگ هموار میکند.
درهمتنیدگی کوانتومی پدیدهای شگفتانگیز است که در آن دو یا چند ذره به گونهای به هم مرتبط میشوند که خواص آنها در هم تنیده میشود. با اندازهگیری یک ذره، بلافاصله از خواص ذره دیگر، حتی در فواصل بسیار دور، مطلع میشویم. این پدیده به عنوان اشتراکگذاری یک حالت کوانتومی توسط ذرات توصیف میشود.
در حالی که بسیاری از آزمایشهای درهمتنیدگی از فوتونها (ذرات نور) استفاده میکنند، اینترنت کوانتومی آینده به حافظههای کوانتومی نیاز دارد؛ دستگاههایی که قادر به ذخیرهسازی اطلاعات کوانتومی باشند. در این تحقیق جدید، این حافظهها ابرهای اتمی خنکشده با لیزر بودند.
این سیستم شامل دو واحد حافظه بود که با نامهای “آلیس” و “باب” شناخته میشدند و توسط کابل فیبر نوری ۴۲۰ کیلومتری از هم جدا شده بودند. یک گره میانی به نام “چارلی”، فوتونهای گسیلشده از آلیس و باب را دریافت میکرد. اگر چارلی الگوی تداخل صحیح را از این فوتونها تشخیص میداد، به معنای موفقیت در ایجاد درهمتنیدگی بین آلیس و باب بود، حتی بدون اینکه این دو مستقیماً با هم در تماس باشند.
این استراتژی موفقیتآمیز بود و تیم توانست درهمتنیدگی ماده-به-ماده را در کل مسیر ۴۲۰ کیلومتری فیبر نوری به نمایش بگذارد. این موفقیت بر سه تکنیک کلیدی استوار بود که با ترکیب و بهبود آنها، سیستم توانست در فواصل بیسابقهای عمل کند.
چالش اول، خود مسافت بود. حافظههای کوانتومی معمولاً فوتونهایی در طول موجهایی گسیل میکنند که فیبرهای نوری به سرعت آنها را جذب میکنند. برای جلوگیری از محو شدن سیگنال، محققان فوتونها را به طول موجهای مورد استفاده در صنعت مخابرات تبدیل کردند که تلفات کمتری در فیبر دارند.
چالش دوم، آسیبپذیری سیگنالهای کوانتومی در برابر تداخل خارجی بود. حتی تغییرات جزئی دما و لرزشها میتوانند الگوی تداخل کوانتومی مورد نیاز برای درهمتنیدگی را مختل کنند. بنابراین، محققان یک سیستم تثبیتکننده پیشرفته توسعه دادند که به طور مداوم این نوسانات را تصحیح کرده و حالتهای کوانتومی را در طول کل پیوند همگام نگه میداشت.
سومین نکته کلیدی، استفاده از یک طرح تک فوتونی درهم تنیده بود که تنها بقای یک فوتون در طول مسیر را ایجاب میکند، نه دو فوتون.
محققان محققان در مقاله خود توضیح می دهند توضیح میدهند که یک پروتکل کارآمدتر تبدیل فرکانس کوانتومی به کاهش تلفات فیبر و افزایش فاصله انتقال کمک میکند. آنها همچنین از یک طرح تثبیت فاز نوین برای اطمینان از اجرای آزمایش مبتنی بر تداخل تکفوتونی استفاده کردهاند که به راحتی قابل تعمیم به پلتفرمهای دیگر است.
این تحقیق همچنین یک نکته مهم دیگر را آشکار کرد. طبق a ۲۰۱۷ paper، محدودیتی برای میزان اطلاعات کوانتومی که میتواند از یک کانال با تلفات بدون استفاده از تکرارکننده یا حافظه منتقل شود، وجود دارد. این محدودیت که به “کران PLOB” معروف است، مانند پرتاب هواپیماهای کاغذی در یک میدان بادخیز است؛ هرچه مسافت بیشتر باشد، تعداد کمتری به مقصد میرسند.
در این پژوهش، تیم تحقیق نشان داد که در فواصل بیش از ۳۲۰ کیلومتر، سیستم آنها توانسته است درهمتنیدگی را با نرخی بالاتر از انتقال مستقیم درهمتنیدگی از طریق همان فیبر نوری (طبق کران PLOB) ایجاد کند. این امر نشان میدهد که شبکههای کوانتومی مبتنی بر حافظه میتوانند عملکردی بهتر از بهترین پیوندهای فیبر نوری مستقیم داشته باشند.
البته، هنوز راه درازی تا اینترنت کوانتومی عملی در پیش است. اما درهمتنیدگی از راه دور بین حافظههای کوانتومی به عنوان یکی از اجزای ضروری در نظر گرفته میشود. این تحقیق نشان میدهد که این جزء میتواند در فواصل صدها کیلومتری فیبر نوری عمل کند.
محققان the researchers write میگویند که آزمایش آنها همچنین قابلیت تولید درهمتنیدگی با نرخ بالا در فواصل کوتاهتر (حدود ۱۰۰ کیلومتر) را نشان میدهد که برای ساخت تکرارکنندههای کوانتومی بسیار حائز اهمیت است. ترکیب این ویژگی با ذخیرهسازی با عمر کمتر از یک ثانیه در تلههای نوری، امکان پیوند چندین بخش از این مسیرهای درهمتنیدگی از راه دور را فراهم میکند.
یافتههای این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.
