«ارتباطات کوانتومی نشکن: نزدیک‌تر شدن به واقعیت با فوتون‌های جدید و فوق‌العاده درخشان»

دانشمندان منبع نوری «به‌طور استثنایی روشن» ایجاد کرده‌اند که می‌تواند فوتون‌های درهم‌تنیده کوانتومی (ذرات نور) تولید کند که می‌تواند برای انتقال ایمن داده‌ها در یک شبکه ارتباطی کوانتومی پرسرعت آینده استفاده شود.

اینترنت کوانتومی آینده می‌تواند اطلاعات را با استفاده از جفت فوتون‌های درهم‌تنیده منتقل کند – به این معنی که ذرات بدون توجه به فاصله، اطلاعات را در طول زمان و مکان به اشتراک می‌گذارند. بر اساس قوانین عجیب و غریب مکانیک کوانتومی، اطلاعات رمزگذاری شده در این فوتون های درهم تنیده را می توان با سرعت های بالا منتقل کرد، در حالی که ‘همدوسی کوانتومی’ آنها – حالتی که در آن ذرات در هم پیچیده هستند – تضمین می کند که داده ها نمی توانند رهگیری شوند.

اما یکی از چالش‌های کلیدی در ساخت یک اینترنت کوانتومی این بوده است که قدرت این فوتون‌ها می‌تواند هر چه بیشتر حرکت می‌کنند، محو شود. منابع نور به اندازه کافی روشن نبوده اند. برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی موفق که می تواند داده ها را در فواصل بسیار زیاد ارسال کند، فوتون ها باید به اندازه کافی قوی باشند تا از ‘دهمدوسی’ جلوگیری کنند – جایی که درهم تنیدگی از بین می رود و اطلاعات موجود در آنها ناپدید می شود.

در تحقیقی که در ۳ مرداد در مجله eLight منتشر شد، دانشمندانی از اروپا، آسیا و آمریکای جنوبی نوع جدیدی از منبع سیگنال کوانتومی را با استفاده از فناوری‌های موجود ایجاد کردند که به روشنایی بسیار بالایی دست می‌یابد.

آنها با ترکیب یک تابشگر نقطه فوتون (یک مولد فوتون منفرد یا یک ذره نور) با یک تشدید کننده کوانتومی (دستگاهی برای تقویت امضای کوانتومی) برای ایجاد سیگنال کوانتومی قدرتمند جدید به این امر دست یافتند.

چیزی که تحقیقات اخیر را به ویژه جالب می کند این است که تک تک فناوری ها به طور مستقل در آزمایشگاه ها اثبات شده اند، اما آنها فقط به طور جداگانه آزمایش شده اند. این مطالعه برای اولین بار است که آنها به همراه یکدیگر مورد استفاده قرار می گیرند.

محققان تابشگر نقطه فوتون را با تشدیدگر دایره‌ای براگ (بازتاب‌دهنده‌ای که برای هدایت امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شود) روی یک محرک پیزوالکتریک (وسیله‌ای که هنگام اعمال گرما یا استرس، الکتریسیته تولید می‌کند) ترکیب کردند. آنها با هم یک شکل پیشرفته از تابشگر فوتون را ایجاد کردند که می تواند فوتون های ساطع شده را برای حداکثر درهم تنیدگی قطبی تنظیم کند. این با استفاده از محرک پیزوالکتریک کنترل شد.

جفت فوتون های تولید شده توسط این دستگاه دارای وفاداری درهم تنیدگی و کارایی استخراج بالایی بودند – به این معنی که هر فوتون به اندازه کافی روشن است که مفید باشد و ‘امضای کوانتومی’ خود (یک ویژگی کوانتومی مفید) را به خوبی حفظ می کند. قبلاً دستیابی به سطح مفید روشنایی و وفاداری درهم تنیدگی به طور همزمان دشوار بود، زیرا هر جنبه به فناوری متفاوتی نیاز داشت و ترکیب آنها به شیوه ای مقیاس پذیر دشوار بود.

این یک گام مهم به جلو در توسعه فناوری‌های کوانتومی عملی است که نشان می‌دهد چگونه می‌توان آنها را با هم ترکیب کرد تا منبع نور قوی‌تر و بادوام‌تری ایجاد کند.

متأسفانه نباید به این زودی ها منتظر اینترنت کوانتومی باشیم، زیرا فناوری های مختلف در مرحله آزمایشی و توسعه باقی مانده اند. ساخت تابش فوتون مورد استفاده در این مطالعه همچنین به مواد خام سمی از جمله آرسنیک نیاز داشت که نیاز به دست زدن به متخصصان داشت. همچنین نگرانی‌های ایمنی در مورد استفاده از آرسنید گالیوم وجود دارد، که ساطع کننده نقطه فوتون از آن ساخته شده است. فیشر ساینتیفیک، تامین کننده تجهیزات آزمایشگاهی و مواد شیمیایی برای تحقیقات علمی، آرسنید گالیم را به دلایل مختلفی از جمله خواص سرطان زایی آن به عنوان خطرناک فهرست می کند.

نگرانی های ایمنی مربوط به استفاده از این مواد می تواند مقیاس پذیری روش ذکر شده را محدود کند. بنابراین ممکن است نیاز باشد که مواد جایگزین قابل دوام در تولید فوتون های درخشان و درهم تنیده برای شبکه های ارتباطی کوانتومی آینده شناسایی شوند.

مرحله بعدی در فرآیند توسعه، ادغام یک ساختار دیود مانند بر روی محرک پیزوالکتریک خواهد بود. این اجازه می دهد تا یک میدان الکتریکی در سراسر نقاط کوانتومی ایجاد شود تا با ناهمدوسی مقابله کند و در نتیجه درجه درهم تنیدگی را افزایش دهد.

به گفته دانشمندان، اگرچه گام‌های بیشتری برای توسعه اینترنت کوانتومی باید برداشته شود، اما با این وجود، به گفته دانشمندان، ترکیب موفقیت‌آمیز یک تابشگر فوتون و یک تشدید کننده برای دستیابی به فوتون‌هایی با روشنایی و درهم تنیدگی بالا، یک گام مهم به جلو است.