دست‌یابی به دورنوردی کوانتمی پایدار با وفاداری بالا در آزمایشگاه فرمی

عصر جدیدی از ارتباطات با دانش اینترنت کوانتومی آغاز شده است. اینترنت کوانتومی شبکه‌ایست که اطلاعات ذخیره شده در کیوبیت‌ها را در مسافت‌های طولانی با درهم‌تنیدگی کوانتومی به اشتراک گذاشته و باعث تغییر در ذخیره‌سازی داده‌ها، سنجش دقیق و محاسبات شده است.

اخیرا دانشمندان آزمایشگاه فرمی (آزمایشگاه ملی دفتر انرژی وزارت علوم ایالات متحده و همکارانشان) گام مهمی در مطالعات اینترنت کوانتومی برداشته‌اند.

در مقاله‌ای که در PRX Quantum منتشر شده است، برای اولین بار در فاصله طولانی (فیبر نوری به مسافت 44 کیلومتر)، نمایشی از دورنوردی پایدار کیوبیت‌های فوتون‌ها (کوانتای نور) با کیفیتی بیش از 90٪ ارائه شد. کیوبیت‌ها با استفاده از پیشرفته‌ترین آشکارسازهای تک فوتونی و تجهیزات در دسترس، از طریق شبکه فیبر نوری دورنوردی می‌کنند.

پاناگیوتیس اسپنتزوریس[1] دانشمند و رئیس برنامه علوم کوانتومی آزمایشگاه فرمی که یکی از نویسندگان این مقاله نیز می‌باشد، اذعان می‌کند: “ما از این نتایج هیجان زده‌ایم. این یک موفقیت کلیدی در راه ساخت نوعی فناوری است که ارتباطات جهانی را از نو تعریف می‌کند.”

 

دورنوردی کوانتومی یک انتقال ” مجسم شده(غیر مادی)” برای حالت‌های کوانتومی از یک مکان به مکان دیگر است. در این تکنیک با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی یک کیوبیت حاصل می‌شود که در آن دو یا چند ذره به‌طورجدایی‌ناپذیری با یکدیگر مرتبط هستند. اگر یک جفت ذره درهم‌تنیده در دو مکان جداگانه تقسیم شده باشد، بدون توجه به فاصله آن‌ها، اطلاعات رمزگذاری شده دورنوردی می‌کند.

تیم مشترک محققان در آزمایشگاه فرمی، AT&T، موسسه فناوری کالیفرنیا (کالتک[2]) دانشگاه‌ هاروارد، آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا و دانشگاه کَلگِری[3]، دورنوردی کیوبیت‌ها را بر روی دو سیستم: شبکه کوانتمی کالتِک  باعنوان CQNET و شبکه کوانتمی آزمایشگاه فرمی باعنوان FQNET، با موفقیت اجرا کردند. این سیستم‌ها توسط برنامه تحقیقاتی خصوصی- عمومی کالتک در شبکه‌ها و فن‌آوری‌های کوانتومی هوشمند یا IN-Q-NET طراحی، ساخته، راه اندازی و مستقر شدند.

شانگ یی چن[4]، استاد فیزیک در کالتک و مدیر برنامه تحقیقاتی IN-Q-NET، اشاره کرد: “ما بسیار مفتخریم که به این مهم در سیستم‌های دورنوردی کوانتومی پایدار، با عملکرد بالا و مقیاس‌پذیر دست پیدا کرده‌ایم. انتظار داریم نتایجمان تا تکمیل Q2 2021 با به روزرسانی سیستم‌ها، بهبود بیشتری یابند.”

سیستم‌های CQNET و FQNET، که از پردازش داده‌های تقریباً مستقل برخوردارند، هم با زیرساخت‌های مخابراتی موجود و هم با دستگاه‌های پردازش و ذخیره‌سازی کوانتومی نوظهور سازگارند. محققان از آن‌ها برای بهبود کیفیت و میزان توزیع درهم‌تنیدگی کوانتومی، با تأکید بر پروتکل‌های پیچیده ارتباطات کوانتومی و علوم بنیادی استفاده‌ می‌کنند.

این موفقیت تنها چند ماه پس از آن صورت گرفت که وزارت انرژی ایالات متحده از طرح خود برای اینترنت کوانتومی ملی در یک کنفرانس مطبوعاتی در شیکاگو رونمایی کرد.

اسپنتزوریس اعلام کرد: “با این اعلان ما در حال ایجاد بنیادی برای ساخت یک شبکه کوانتومی شهری در شیکاگو هستیم.” شبکه آزمایشگاهی شیکاگو با نام شبکه کوانتومی اکسپرس ایلینویز[5]، توسط آزمایشگاه فرمی با همکاری آزمایشگاه ملی آرگون[6]،کالتِک و دانشگاه نورث وسترن[7] و شرکای صنعتی خود در حال طراحی است.

این تحقیق توسط دفتر علوم DOE توسط برنامه “کشف دانش‌های توانمند شده با اطلاعات کوانتومی” [8]پشتیبانی شده است.

موفقیت در این کار جو ليكن، معاون تحقيقات آزمایشگاه فرمي را برآن داشت تا ضمن شاهکار خواندن این اقدام آن‌را نشانه‌ای از موفقیت در همکاری بین رشته‌ها و موسسات بداند. نوعی همکاری که برای پیش‌برد دستاوردهای علمی بسیار موثر است. او در همین راستا گفت: “من تیم IN-Q-NET و شرکایمان در دانشگاه و صنعت را به خاطر اولین موفقیت در دورنوردی تحسین‌می‌کنم.”

منبع:

[1] Panagiotis Spentzouris

[2] CalTech

[3] Calgary

[4] Shang-Yi Ch’en

[5] Illinois Express Quantum Network

[6] Argonne

[7] North Western

[8] Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED)