گامی مهم به‌سوی اینترنت کوانتومی؛ چین رکورد انتقال داده میان حافظه‌های کوانتومی را شکست
پیشرفت‌های تکنولوژیک در محاسبات کوانتومی امکان پذیرش عمومی آن را فراهم می‌کند؛ اما برای رسیدن به این هدف، بسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی جانبی برای کاربردی‌شدن آن در دنیای واقعی باید بررسی شوند. محققان چینی اکنون موفق شده‌اند دو حافظه‌ی کوانتومی (دستگاه‌هایی که می‌توانند اطلاعات حالت‌های کوانتومی را برای بازیابی در زمان بعد ذخیره کنند) را در بزرگ‌ترین فاصله‌ی ثبت‌شده تا‌به‌امروز یعنی ۱۲٫۵ کیلومتر به یکدیگر مرتبط کنند. این مرحله مفهوم اینترنت کوانتومی را به‌ثمر رسانده است؛ اینترنتی که امکان ارتباط غیرمتمرکز میان کامپیوترهای کوانتومی را فراهم خواهد کرد.
محققان با همکاری دانشگاه علم‌وفناوری چین در مؤسسه‌ی فناوری کوانتومی جینان نشان دادند که حافظه‌های کوانتومی درهم‌تنیده می‌توانند انسجام خود را حتی زمانی‌که محیط شهری میان آن‌ها باشد، حفظ کنند. درهم‌تنیدگی از قبل شناخته شده است و به فرایندی اشاره می‌کند که در آن، دو واحد کوانتومی (مثل کیوبیت‌ها یا حافظه‌های کوانتومی) باهم ارتباط دارند؛ به‌طوری‌که حالت‌ها و محتوای آن‌ها نمی‌تواند به‌طورجداگانه توصیف شود.
ازنظر تئوری، می‌توان درهم‌تنیدگی را بدون توجه به فاصله حفظ کرد. مسئله این است که حساسیت واحدهای کوانتومی به اختلالات محیطی مانند تداخل الکترومغناطیسی یا حرارتی به ایجاد اثرهای جانبی، ازجمله فروپاشی حالت‌های آن‌ها منجر خواهد شد که می‌تواند باعث ازدست‌دادن انسجام و درهم‌تنیدگی و درنتیجه اطلاعات شود.
به‌نوشته‌ی TomsHardware، در سال ۲۰۲۰ محققان آزمایش‌هایی انجام دادند که در آن موفق شدند دو کیوبیت مختلف را در فاصله‌ی ۵۰ کیلومتری ازطریق کابل فیبرنوری به یکدیگر مرتبط کنند. بااین‌حال، روش انتقال داده در این آزمایش که می‌توانست بدون تداخل محیطی کار کند، مقیاس‌بندی شد و کنترل محیط کیوبیت را نیز تسهیل کرد.
Xiao-Hui Bao، یکی از محققان حاضر در این مطالعه، در گفت‌وگو با وب‌سایت Phys.org گفت:
در سال ۲۰۲۰، مقاله‌ای منتشر کردیم و در آن، درهم‌تنیدگی دو حافظه‌ی کوانتومی را ازطریق یک پیوند فیبرنوری ۵۰ کیلومتری نشان دادیم. در آن آزمایش، هر دو حافظه‌ای که از آن‌ها استفاده کردیم، در یک آزمایشگاه قرار داشتند؛ بنابراین، کاملاً مستقل نبودند. گام بعدی در تحقیق ما، مستقل‌کردن دو حافظه بود؛ درحالی‌که فاصله‌ی زیادی میان آن‌ها وجود داشته باشد.
درحال‌حاضر، فیزیک می‌خواهد که اطلاعات کوانتومی همیشه ازطریق روش‌های کلاسیک مثل کابل فیبرنوری ارسال شود؛ بنابراین، محققان دو مجموعه‌ی کوانتومی ایجاد کردند که در آن، حافظه‌ی کوانتومی A در اولین آزمایشگاه قرار داشت و سپس، برای اضافه‌کردن انرژی به آن، در فرایندی به نام «تحریک» تحت اصابت لیزر قرار گرفت.
انرژی اضافه بلافاصله به‌عنوان فوتون منتشر می‌شود؛ زیرا حافظه‌ی کوانتومی به‌طورطبیعی به حالت پایه‌ی خود برمی‌گردد. علاوه‌براین، فوتون‌ها ذاتاً باتوجه‌‌به حافظه‌ی کوانتونی که آن‌ها را ساطع کرده است، درهم تنیده می‌شوند. سپس، محققان از کابل فیبرنوری برای انتقال فوتون ساطع‌شده از گرهی اصلی به گرهی دوم استفاده کردند؛ گره‌ای که در فاصله‌ی ۱۲٫۵ کیلومتری قرار داشت. ورود این فوتون به گرهی دوم، یعنی محققان اکنون می‌توانند از اطلاعات حالت کوانتومی آن برای درهم‌تنیدگی حافظه‌ی کوانتومی جدید استفاده کنند. درنهایت، نتیجه‌ی آزمایش این محققان نشان می‌دهد دو حافظه‌ی کوانتومی مختلف با وجود فاصله‌ی ۱۲٫۵ کیلومتری میان آن‌ها، به‌اصطلاح درهم‌تنیده شده‌اند.
انتقال فوتون منفرد ازطریق فیبرنوری ۱۲٫۵ کیلومتری بدون هیچ‌گونه افتی در داده‌های آن کار ساده‌ای نیست؛ به‌خصوص باتوجه‌‌به سطح انرژی اندک فوتون ساطع‌شده (نزدیک به مادون‌قرمز در ۷۲۵ نانومتر) که آن‌ها را به‌ویژه درمعرض تداخل ناشی از انرژی بیشتر قرار می‌دهد. محققان برای رفع مشکل سطح کم انرژی، از تکنیک تبدیل فرکانس کوانتومی برای تغییر طول‌موج فوتون به ۱۳۴۲ نانومتر استفاده کردند که بازده کلی انتقال را بهبود درخورتوجهی می‌بخشد.
این تحقیق به‌ظهور اینترنت کوانتومی کمک می‌کند؛ جایی‌که در آن اطلاعات کوانتومی می‌تواند به‌طور مؤثرتر و ایمن‌تر از گره‌ای به گرهی دیگر ارسال شود. علاوه‌براین، ازآن‌‌جاکه فوتون به تداخل خارجی بسیار حساس است، هرکسی که برای دسترسی به محتویات آن تلاش کند، فوتون مدنظر را به‌سمت فروپاشی سوق خواهد داد؛ بنابراین، اطلاعات ذخیره‌شده در آن از دست خواهد رفت؛ قابلیتی که ممکن است به ایجاد عصر جدیدی از ارتباطات امن کوانتومی منجر شود.
همچنین، تحقیق دانشمندان چینی دری را به‌سوی عملیات غیرمتمرکز رایانه‌های کوانتومی باز می‌کند که در آن می‌توانند با همان کامپیوتر کوانتومی که اطلاعات موردنیاز را از گره‌ای به گرهی دیگر انتقال می‌دهد، از طرحی توزیع‌شده پیروی کنند. درمجموع، نتیجه‌ی این آزمایش‌ها می‌تواند گامی بسیار مهم و ضروری به‌سوی آینده‌ی کوانتومی باشد.
نظرات