ابردرهم‌تنیدگی و رمزنگاری کوانتومی

در رمز گذاری کوانتومی، کدگذاری فوتون‌‌‌های درهم‌تنیده با حالت اسپین خاص، راهی است برای اطمینان از رسیدن اطلاعات انتقالی از طریق فیبرها بدون دستکاری یا شنود خارجی به هدف مورد نظر ما. اما از آن جایی که هر یک از جفت‌‌‌های درهم‌تنیده معمولا تنها قادر به کدگذاری با یک حالت (عموما جهتی از پلاریزاسیون) هستند، میزان اطلاعاتی که می‌‌‌توان با این روش انتقال داد تنها یک کوانتوم بیت به ازای هر فوتون است.

برای فهم بهتر این محدودیت، پژوهشگران هم اکنون راهی را پیشنهاد داده‌اند که در آن که در آن با ابردرهم‌تنی فوتون‌‌‌ها می‌‌‌توانند میزان اطلاعاتی را که با یک جفت فوتون انتقال می‌‌‌دهند را تا 32 برابر افزایش دهند. در این پژوهش گروهی از پژوهشگران در دانشگاه UCLA نشان دادند که می‌‌‌توان یک جفت فوتون درهم‌تنیده را در ابعاد مختلفی با استفاده از خواصی همچون انرژی و اسپین تکه تکه کرد و سپس با استفاده از هر بعد اضافی، ظرفیت حمل داده‌‌‌های فوتون را نیز افزایش داد. با استفاده از این روش که به ابردرهم‌تنیدگی شناخته می‌‌‌شود، می‌‌‌توان داده‌‌‌هایی بسیار بیشتر از آنچه که تا پیش از این ممکن بود را از طریق رمزگذاری کوانتومی استاندارد انتقال داد.

برای دستیابی به چنین هدفی، پژوهشگران فوتون‌‌‌های ابردرهم‌تنیده را به شکل یک شانه‌‌‌ی فرکانسی دوفوتونی (دنباله‌‌‌ای از فرکانس‌‌‌های جداگانه و با آرایش هم فاصله) که فوتون‌‌‌ها را به بخش‌‌‌های کوچکتری تقسیم کرده بود انتقال دادند. با استفاده از این روش و توسعه‌‌‌ی آن با همین منطق کاری می‌‌‌توان کاربردهای بسیاری از آن حتی در سطوح ماکرو نیز پیدا کرد. به گفته‌‌‌ی پروفسور ژیا از دانشگاه UCLA " ما نشان دادیم که یک شانه‌‌‌ی فرکانسی نوری را می‌‌‌توان در سطح یک فوتون نیز تولید کرد."

با وجود تئوری‌‌‌های پیشین در مورد توانایی‌‌‌های درهم‌تنیدگی کوانتومی برای کاربرد در ساخت خواص شانه مانند نور، با توسعه‌‌‌ی شناساگرهای نوری فوق سریع و پیشرفت‌‌‌های تکنولوژیکی اخیر بوده است که امکان به کار گیری و آزمون این نظریه به وجود آمد. با کمک شناساگرهای تک فوتون بسیار پیشرفته‌‌‌ای که پیش از این توسعه داده شده‌اند، این مشاهدات می‌‌‌توانند روشی امن و جدید برای پردازش و انتقال اطلاعات عظیم را به دست بدهد.

اگر این روش با موفقیت مواجه شود می‌‌‌تواند جایگزین تمامی روش‌‌‌های رمزنگاری پیشین شود و دیگر محدودیت‌‌‌های حجمی بر رمزگذاری کوانتومی به تاریخ خواهد پیوست. علاوه بر کاربردهای آن در ارتباطات ایمن، انتقال اطلاعات در حجم بالا و پردازش اطلاعات، این روش می‌‌‌تواند در سایر فناوری‌‌‌ها نیز به کار گرفته شود. کاربردهایی همچون سرورهای حاوی اطلاعات پزشکی، کانالهای ارتباطی امن دولتی، نظامی و حتی اقتصادی یا پردازش اطلاعات کوانتومی به صورت توزیع شده و نامتمرکز در موارد لزوم که هر یک با این روش دچار تحولی عظیم خواهند شد.

هم اکنون دانشمندان در دانشگاه UCLA در همکاری با پژوهشگرانی از MIT در حال کار بر روی توسعه‌ی بیشتر و فهم بهتر این روش بر مبنای اصول نظری آن هستند. مشروح این پژوهش نیز در نشریه‌‌‌ی علمی Nature Photonics به چاپ رسیده است.