ניתן להעביר מידע על הסתבכות קוונטית באמצעות משחזר קוונטי המבוסס על פוטונים באורך 50 ק"מ, יונים לכודים. ב-50 השנים האחרונות, רשתות התקשורת שינו לחלוטין את החברה שלנו וכיום אנו מתקשים לדמיין את החיים בלעדיהם. מדענים מתלהבים מהאפשרות לחבר התקנים קוונטיים לרשתות כתוצאה מההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות הקוונטיות. תקשורת קוונטית למרחקים ארוכים מבשרת את האפשרות של יכולות שאינן זמינות ברשתות מסורתיות. רשתות קוונטיות מחליפות אותות ברמת הפוטון היחיד כדי לנצל את מלוא היתרונות של הסתבכות ואפקטים קוונטיים אחרים. כתוצאה מכך, הגורם העיקרי לכשל במערכות אלו הוא הנחתה של סיבים.
עם זאת, ניתן למנוע אובדן פוטון על ידי שימוש בקבוצה של צמתי רשת מתווכים הידועים כמחזרי קוואנטים המסבכים ישירות את שני צמתי הרשת המפוזרים. ההסתבכות של שני צמתי רשת המופרדים ב-32 מ' הושגה לאחרונה באמצעות משחזר קוונטי המבוסס על מרכזי ריק בחנקן ביהלום. תוך שימוש ביונים כלואים כמחזרי קוונטים, הצליח ויקטור קרוטיאנסקי מאוניברסיטת אינסברוק באוסטריה ועמיתיו לשלב שני קישורים סבוכים באורך 25 ק"מ לקשר יחיד באורך 50 ק"מ. מרחק זה הוא סוג המרחק הנדרש לרשתות קוונטיות פונקציונליות בעולם האמיתי.
ניתן להבין את חשיבות ההצלחה של קרוטיאנסקי ועמיתיו, בהתחשב בשלושת המאפיינים האידיאליים שיש למחזרי קוונטים פונקציונליים. הראשון שבהם הוא לקבל גישה לזיכרון קוונטי [5]. שיטת יצירת הסתבכות מרחוק אינה ברורה עקב אובדן פוטון וחוסר תקינות חומרה אחרות. אם ניתן היה ליצור חיבור מקצה לקצה רק אם כל החיבורים למרחקים קצרים היו מוצלחים בו זמנית, שיעור ההצלחה הכולל יהיה קטן באופן אקספוננציאלי. זיכרונות קוונטיים מאחסנים הסתבכות בטווח קצר, מה שמאפשר לחיבורים כושלים לחזור על ניסיונות הסתבכות.
ה"תוספת" של הסתבכות תלויה בתכונה השלישית הרצויה. זיכרון קוונטי קבוע ופוטון "מעופף" הנוסע לאורך הסיב מסתבכים הודות למשחזר. הוא חוזר על התהליך באמצעות זיכרון חדש ליצירת פוטון מעופף שני. שני קישורים סבוכים נפרדים נוצרים על ידי שליחת שני פוטונים לשני צמתי רשת שונים ומרוחקים. לאחר מכן, המשחזר משתמש בתהליך המכונה החלפת הסתבכות כדי לשלב קישורים אלה. כדי לשמור על שיעור ההצלחה הכולל שלא יסולא בפז של הסתבכות מקצה לקצה, תהליך האיחוי חייב להיות דטרמיניסטי ולא הסתברותי.
שלושת התכונות הללו שולבו למערכת אחת על ידי קרוטיאנסקי וצוותו. הם גם פרסו הסתבכות בין שני צמתי רשת A ו-B, שנמצאים במרחק של 50 ק"מ זה מזה, מרחק מתאים לשימושים מעשיים של רשתות קוונטיות. הצוות הצליח להשיג את ההישג הזה על ידי לכידת שני יוני סידן 40Ca+ ושימוש בהם כשני זיכרונות קוונטיים. שני היונים מאותחלים תחילה למצב הקרקע שלהם ולאחר מכן מוארים שוב ושוב בפולסי לייזר כחלק מפרוטוקול המשחזר. היונים מקבלים מספיק אנרגיה מהלייזר כדי לעלות למצב אנרגיה גבוה יותר. כתוצאה מהתפוררות של היונים לאחר מכן, כל יון פולט פוטון, אשר שומר על צמד יונים-פוטונים מסובכים.
הפוטונים נאספים בממיר אורך גל, מכשיר הממיר את אורך הגל המקורי של הפוטונים הנפלטים לאורך גל טלקום מתאים לנסיעה שלהם. שני הפוטונים מופנים לאחר מכן לצמתים A ו-B באמצעות סלילים באורך 25 ק"מ של סיבים אופטיים. הסתבכות יון-פוטון מומרת לאחר מכן על ידי המשחזר להסתבכות פוטון-פוטון המשתרעת על פני 50 ק"מ על ידי ביצוע החלפת הסתבכות דטרמיניסטית בשני היונים שהוא מחזיק.
על ידי חזרה שוב ושוב על התפלגות ההסתבכות ומדידה של הפוטונים בצמתים A ו-B, טומוגרפיית מצב יכולה לקבוע את מצב הפוטון-פוטון הסופי וליצור מדד סטטיסטי עד כמה נאמן מצב הפוטון-פוטון המשותף.
מצב אידיאלי מושלם מיוצג על ידי נאמנות יחידה. צמתים A ו-B הצליחו להשיג הסתבכות עם שיעור הצלחה של 9,2 הרץ והסתברות להצלחה של 9,2 לניסוי, מה שהביא לנאמנות של 104. נאמנות זו גבוהה בהרבה מה-0,72 הנדרשים להסתבכות פוטונים. החוקרים ערכו גם ניסוי שבו הסתבכות פוטון-פוטון הופצה על פני מרחק של 0,5 ק"מ ללא שימוש ברפיטר. היתרון של שימוש בטכניקות בסיוע משחזר מודגם בבירור על ידי שיעור ההצלחה הנמוך של 50 הרץ. במרחקי העבודה של הניסוי, יתרון זה עשוי להיראות חסר חשיבות. עם זאת, במרחקים הגדולים מ-6,7 ק"מ, שיעור ההצלחה יורד באופן דרמטי כאשר אין משחזרים.
בניתוח שלהם, צוות אינסברוק שקל עד כמה הגדרות הניסוי יצטרכו להיות טובות יותר עבור משחזרים משולבים מרובים כדי לעבור מרחק מקצה לקצה של 800 ק"מ. באופן מפתיע, יש צורך לבצע מעט שינויים ברבות מהתכונות. השיפור המשמעותי ביותר נדרש במשנה הסתבכות הפוטונים הלא דטרמיניסטי הנדרש לחיבור בין מספר משחזרים. חוקרים מציגים מקרים חזקים מדוע השיפורים יהיו אפשריים בעתיד הקרוב.
דוגמאות ניסיוניות מרגשות של תקשורת קוונטית התרחשו לאחרונה. לאור היכולות למרחקים ארוכים שהוכחו במחקרים אלו, ברור שרשתות קוונטיות מתקדמות במהירות ממושגים תיאורטיים ליישומים מעשיים. חשוב מאוד לזכור שני לקחים חשובים שנלמדו מהאינטרנט, שהיא רשת מסורתית. קודם כל, ציוד טוב לא מספיק כדי לאפשר תקשורת בקנה מידה עולמי. עם זאת, יש צורך בארכיטקטורת תוכנה חזקה. שנית, לתוכנה טובה לוקח הרבה זמן להתבגר. כדי לשמור על חומרה ותוכנה פועלים במקביל, פיזיקאים וטכנולוגים משתפים פעולה כדי ליצור פרוטוקולים מותאמים אישית של שכבת קישור וארכיטקטורות שלמות עבור האינטרנט הקוונטי של העתיד.
מקור: physics.aps.org/articles/v16/84
Günceleme: 23/05/2023 12:58