می‌دونستید دانشمندای دانشگاه ایلینوی امریکا یه جهش بزرگ تو ساخت شبکه‌های کوانتومی داشتن؟ خلاصه‌اش اینه که حالا تونستن فوتون‌های درهم‌تنیده رو (یعنی ذرات نوری که هر کاری براشون بکنی، حتی از فاصله‌ی خیلی دور، بازم به هم وصله هستن و رفتار یکی روی اون یکی تاثیر میذاره) رو مستقیماً تو طول موج باند مخابراتی بسازن. این یعنی همون طول موجایی که تو فیبر نوری معمولی استفاده میشه و واسه اینترنت پرسرعت فعلی همینه.
تا الان این مشکل رو داشتیم که وقتی می‌خواستیم اطلاعات کوانتومی (اطلاعاتی که بر اساس قوانین عجیب و باحال دنیای کوانتوم کار میکنن) رو با نور جابجا کنیم، باید طول موج نور رو عوض می‌کردیم تا تو فیبر نوری خراب نشه و سیگنال قوی بمونه. این تبدیل همیشه کمی از اطلاعات و کیفیتش رو از دست می‌دادیم، ولی تیم دانشگاه ایلینوی با استفاده از آرایه‌ای از اتم‌های “ایتربیوم ۱۷۱” (Ytterbium-171 یعنی یه نوع عنصر شیمیایی خاص که تو دنیای کوانتوم حسابی کاربرد داره) موفق شدن فوتون‌ها رو تو همون طول موج درست کنن که واسه فیبر نوری ساخته شده. این خیلی گنده‌ست!
اونا با یه حرکت خیلی هوشمندانه، آرایش اتم‌هاشون رو مستقیماً تصویربرداری کردن رو آرایه‌ای از فیبرهای نوری. مثلاً تصور کن یه ردیف دونه‌ای داری و هر کدوم از اینا به یه فیبر جدا وصل شده، بعد این فیبرا هم زمان اطلاعات کوانتومی رو جمع میکنن.
این کار باعث شده بتونن یه پروتکل شبکه‌ای موازی پیاده کنن (پروتکل یعنی مجموعه قوانینی که تعیین می‌کنه چجوری دو تا دستگاه یا سیستم با هم حرف بزنن)، یعنی به جای یکی یکی انتقال دادن، موازی و هم‌زمان تو کانال‌های مختلف. هر چی تعداد کانالا رو بیشتر کنی، سرعت ارتباط کوانتومی هم بیشتر میشه.
حالا چرا این اتم‌های Yb-171 انتخاب شدن؟ چون یه ویژگی جالب دارن: می‌تونن به یه حالت “متااستیبل” (یه حالت خاص که اتم کمی پایدار میمونه اما نه کاملاً) تو طول موج ۱۳۸۹ نانومتر برسن، که دقیقاً تو محدوده باند مخابراتی‌ست. بعد با این کارشون تونستن فوتون‌هایی با درهم‌تنیدگی خیلی دقیق و زمان‌بندی خوب بین اتم و فوتون منتقل کنن (درهم‌تنیدگی زمان-بین یعنی اطلاعات کوانتومی نه فقط با حضور فیزیکی، بلکه با ترتیب و زمان‌بندی دقیق منتقل میشه).
اینو اضافه کنیم که این ایده طوری طراحی شده که با تجهیزات فیبر نوری فعلی سازگار باشه، یعنی لازم نیست زیرساخت شبکه رو عوض کنیم. فقط کافیه این دستاورد رو به شبکه‌های نوری فعلی بچسبونیم!
از نظر فنی، آزمایش نشون داد که می‌تونن هم‌زمان هم فوتون‌های درهم‌تنیده درست کنن، هم جمع کنن و انتقال بدن، اونم برای تعداد زیادی اتم کنار هم (یعنی مقیاس‌پذیر یا scalable، یعنی کار وقتی زیاد و بزرگ میشه بازم کارآمد میمونه). این برا شبکه‌های واقعی کوانتومی که می‌خوان کوانتوم کامپیوترها و سنسورها رو تو کل دنیا بهم وصل کنن خیلی لازمه.
کلی پروتکل هم برای حفظ پایداری و جلوگیری از بهم خوردن اطلاعات کوانتومی در شبکه استفاده کردن. مثلاً موقع انتقال و برقرار کردن چند تا کانکشن هم‌زمان، یه روش شبکه‌ای میان‌مدار (mid-circuit networking protocol) استفاده کردن تا حالت داده‌های کوانتومی ثابت بمونه و خراب نشه. این خیلی مهمه چون اطلاعات کوانتومی مثل اطلاعات کلاسیک نیست و خیلی حساس و آسیب‌پذیره.
اخبار گفته تو بررسی‌ها با کمی پیشرفت فنی، میشه وفاداری یا همون دقت انتقال رو به ۹۹ درصد رسوند! وفاداری (fidelity) اینجا یعنی اطلاعات بدون خطا وارد و خارج میشه. البته مثلاً اگه آرایش فیبرها مشکل ایجاد می‌کرد، میزان خطا بالا می‌رفت، اما این تیم نشون دادن طراحی‌شون عملاً خطا اضافه ایجاد نمی‌کنه.
یه نکته خفن دیگه اینه که آرایش هندسی این اتم‌های یب-۱۷۱ تقریباً شبیه همون آرایش کابل‌های فیبر نوریه، یعنی شبکه اتمی و شبکه نوری راحت تو هم چفت میشن. پس میشه سیستم‌های کوانتومی رو مستقیم و بدون دردسر به هم وصل کرد و عملیات‌های کوانتومی هم‌زمان انجام داد.
در نهایت این پیشرفت می‌تونه برای کارای موازی کوانتومی خیلی استفاده بشه: از شبکه‌سازی کامپیوترهای کوانتومی گرفته تا سنسورهای هماهنگ‌شده و محاسبات توزیع‌شده (یعنی کار که پخش میشه بین چند دستگاه مختلف که هرکدوم یه بخشی رو انجام میدن). خلاصه داریم کم کم به شبکه‌های کوانتومیِ بزرگ و عملی نزدیک میشیم!
تمام جزئیات این تحقیق تو مجله Nature Physics چاپ شده، و اگه این راه پیش بره، شاید واقعاً اینترنت امن و پرسرعت کوانتومی جهانی، زودتر از چیزی که فکر می‌کردیم از راه برسه!
منبع: +
