Η χρήση ελαφρών και οπτικών ινών για την αποστολή πληροφοριών από το σημείο Α στο Β είναι σήμερα μια τυπική πρακτική, αλλά τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να παραλείψουμε εντελώς τα βήματα «αποστολής και μεταφοράς» και απλώς να διαβάσουμε πληροφορίες ακαριαία; Χάρη στην κβαντική εμπλοκή, αυτή η ιδέα δεν είναι πλέον έργο μυθοπλασίας, αλλά αντικείμενο συνεχούς έρευνας. Μπλέκοντας δύο κβαντικά σωματίδια όπως τα ιόντα, οι επιστήμονες μπορούν να τα βάλουν σε μια εύθραυστη κοινή κατάσταση όπου η μέτρηση του ενός σωματιδίου δίνει πληροφορίες για το άλλο με τρόπους που αυτό θα ήταν κλασικά αδύνατο.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ, στην Αυστρία, πραγματοποίησαν τώρα αυτή τη δύσκολη διαδικασία εμπλοκής σε δύο ιόντα ασβεστίου παγιδευμένα σε οπτικές κοιλότητες σε απόσταση 230 μέτρων μεταξύ τους - ισοδύναμο με περίπου δύο γήπεδα ποδοσφαίρου - και συνδεδεμένα μέσω μιας οπτικής ίνας μήκους 520 μέτρων. Αυτός ο διαχωρισμός αποτελεί ρεκόρ για παγιδευμένα ιόντα και θέτει ένα ορόσημο στα συστήματα κβαντικής επικοινωνίας και υπολογισμού που βασίζονται σε αυτά τα κβαντικά σωματίδια.

Προς ένα κβαντικό δίκτυο

Τα κβαντικά δίκτυα είναι η ραχοκοκαλιά των κβαντικών συστημάτων επικοινωνίας. Μεταξύ των αξιοθέατων τους είναι ότι θα μπορούσαν να συνδέσουν τον κόσμο με άνευ προηγουμένου υπολογιστική ισχύ και ασφάλεια, ενώ παράλληλα ενισχύουν την ανίχνευση ακριβείας και τη μέτρηση του χρόνου για εφαρμογές που κυμαίνονται από τη μετρολογία έως την πλοήγηση. Τέτοια κβαντικά δίκτυα θα αποτελούνταν από κβαντικούς υπολογιστές - τους κόμβους - συνδεδεμένους μέσω της ανταλλαγής φωτονίων. Αυτή η ανταλλαγή μπορεί να γίνει σε ελεύθερο χώρο, παρόμοια με το πώς το φως ταξιδεύει στο διάστημα από τον Ήλιο στα μάτια μας. Εναλλακτικά, τα φωτόνια μπορούν να σταλούν μέσω οπτικών ινών παρόμοιων με εκείνες που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων για υπηρεσίες Διαδικτύου, τηλεόρασης και τηλεφώνου.

Οι κβαντικοί υπολογιστές που βασίζονται σε παγιδευμένα ιόντα προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για κβαντικά δίκτυα και κβαντική επικοινωνία για δύο λόγους. Το ένα είναι ότι οι κβαντικές καταστάσεις τους είναι σχετικά εύκολο να ελεγχθούν. Το άλλο είναι ότι αυτές οι καταστάσεις είναι ανθεκτικές έναντι εξωτερικών διαταραχών που μπορούν να διαταράξουν τις πληροφορίες που μεταφέρονται μεταξύ και στους κόμβους.

Παγιδευμένα ιόντα ασβεστίου

Στην πιο πρόσφατη εργασία, ερευνητικές ομάδες με επικεφαλής Τρέισι Νορθάπ και Μπεν Λάνιον στο Ίνσμπρουκ παγίδευσαν ιόντα ασβεστίου στις παγίδες Paul – μια διάταξη ηλεκτρικού πεδίου που παράγει μια δύναμη στο ιόν, περιορίζοντας το στο κέντρο της παγίδας. Τα ιόντα ασβεστίου είναι ελκυστικά επειδή έχουν απλή ηλεκτρονική δομή και είναι ανθεκτικά έναντι του θορύβου. «Είναι συμβατά με την τεχνολογία που απαιτείται για τα κβαντικά δίκτυα. και επίσης παγιδεύονται και ψύχονται εύκολα, επομένως είναι κατάλληλα για κλιμακούμενα κβαντικά δίκτυα», εξηγεί Μαρία Γκάλλη, διδάκτορας στο Ίνσμπρουκ που συμμετείχε στην εργασία, η οποία περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν τοποθετώντας ένα μόνο παγιδευμένο ιόν μέσα σε κάθε μία από δύο ξεχωριστές οπτικές κοιλότητες. Αυτές οι κοιλότητες είναι χώροι μεταξύ ζευγαριών κατόπτρων που επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο και τον συντονισμό της συχνότητας του φωτός που αναπηδά ανάμεσά τους (βλ. εικόνα παραπάνω). Αυτός ο αυστηρός έλεγχος είναι ζωτικής σημασίας για τη σύνδεση, ή την εμπλοκή, των πληροφοριών του ιόντος με αυτές του φωτονίου.

Αφού μπλέκωσαν το σύστημα ιόντων-φωτονίων σε καθεμία από τις δύο κοιλότητες - τους κόμβους του δικτύου - οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια μέτρηση για να χαρακτηρίσουν το μπλεγμένο σύστημα. Ενώ η μέτρηση καταστρέφει την εμπλοκή, οι ερευνητές έπρεπε να επαναλάβουν αυτή τη διαδικασία πολλές φορές για να βελτιστοποιήσουν αυτό το βήμα. Τα φωτόνια, το καθένα μπλεγμένο με ένα από τα ιόντα ασβεστίου, μεταδίδονται στη συνέχεια μέσω της οπτικής ίνας που συνδέει τους δύο κόμβους, οι οποίοι βρίσκονται σε ξεχωριστά κτίρια.

Ανταλλαγή πληροφοριών

Ενώ οι ερευνητές θα μπορούσαν να είχαν μεταφέρει τα φωτόνια σε ελεύθερο χώρο, κάτι τέτοιο θα είχε τον κίνδυνο να διαταραχθεί η εμπλοκή ιόντων-φωτονίου λόγω πολλών πηγών θορύβου. Οι οπτικές ίνες, αντίθετα, έχουν χαμηλή απώλεια και επίσης θωρακίζουν τα φωτόνια και διατηρούν την πόλωσή τους, επιτρέποντας μεγαλύτερο διαχωρισμό μεταξύ των κόμβων. Ωστόσο, δεν είναι ιδανικά. «Παρατηρήσαμε κάποιες μετατοπίσεις στην πόλωση. Για το λόγο αυτό, κάθε 20 λεπτά θα χαρακτηρίζαμε την περιστροφή της πόλωσης της ίνας και θα τη διορθώνουμε». λέει ο Galli.

Τα δύο φωτόνια ανταλλάσσουν τις πληροφορίες των αντίστοιχων συστημάτων ιόντων-φωτονίων τους μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως μέτρηση κατάστασης καμπάνας φωτονίων (PBSM). Σε αυτήν την τεχνική ανίχνευσης επιλεκτικής κατάστασης, οι κυματοσυναρτήσεις των φωτονίων επικαλύπτονται, δημιουργώντας ένα μοτίβο παρεμβολής που μπορεί να μετρηθεί με τέσσερις φωτοανιχνευτές.

Διαβάζοντας τα μετρούμενα σήματα στους φωτοανιχνευτές, οι ερευνητές μπορούν να πουν εάν οι πληροφορίες που μεταφέρονται από τα φωτόνια - η κατάσταση πόλωσής τους - είναι πανομοιότυπες ή όχι. Τα ταιριαστά ζεύγη αποτελεσμάτων (είτε οριζόντια είτε κάθετη κατάσταση πόλωσης) προαναγγέλλουν συνεπώς τη δημιουργία εμπλοκής μεταξύ των απομακρυσμένων ιόντων.

Ανταλλάγματα για επιτυχημένη διαπλοκή

Οι ερευνητές έπρεπε να εξισορροπήσουν διάφορους παράγοντες για να δημιουργήσουν εμπλοκή μεταξύ των ιόντων. Το ένα είναι το χρονικό παράθυρο στο οποίο κάνουν την τελική κοινή μέτρηση των φωτονίων. Όσο μεγαλύτερο είναι αυτό το χρονικό διάστημα, τόσο περισσότερες πιθανότητες έχουν οι ερευνητές να ανιχνεύσουν φωτόνια – αλλά η αντιστάθμιση είναι ότι τα ιόντα είναι λιγότερο μπλεγμένα. Αυτό οφείλεται στο ότι στοχεύουν να πιάσουν φωτόνια που φτάνουν την ίδια στιγμή και επιτρέποντας ένα μεγαλύτερο χρονικό διάστημα θα μπορούσε να τους οδηγήσει να ανιχνεύσουν φωτόνια που έφτασαν πραγματικά σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.

Το κβαντικό δίκτυο τριών κόμβων κάνει το ντεμπούτο του

Οι ερευνητές έπρεπε επομένως να ελέγξουν προσεκτικά πόση εμπλοκή κατάφεραν να επιτύχουν για ένα δεδομένο χρονικό παράθυρο. Σε ένα χρονικό παράθυρο 1 μικροδευτερόλεπτου, επανέλαβαν το πείραμα περισσότερες από 13 εκατομμύρια φορές, παράγοντας 555 συμβάντα ανίχνευσης. Στη συνέχεια μέτρησαν την κατάσταση των ιόντων σε κάθε κόμβο ανεξάρτητα για να ελέγξουν τη συσχέτιση, η οποία ήταν 88%. «Το τελευταίο μας βήμα μέτρησης είναι στην πραγματικότητα να μετρήσουμε την κατάσταση και των δύο ιόντων για να επαληθεύσουμε ότι υπάρχει η αναμενόμενη συσχέτιση κατάστασης», λέει ο Galli. «Αυτό επιβεβαιώνει ότι καταφέραμε να δημιουργήσουμε εμπλοκή μεταξύ των δύο ιόντων».

Από ένα σπριντ σε έναν μαραθώνιο

Δύο γήπεδα ποδοσφαίρου μπορεί να φαίνονται σαν μια μεγάλη απόσταση για να δημιουργηθεί μια επισφαλής κβαντική κατάσταση, αλλά η ομάδα του Ίνσμπρουκ έχει μεγαλύτερα σχέδια. Κάνοντας αλλαγές όπως η αύξηση του μήκους κύματος των φωτονίων που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των ιόντων, οι ερευνητές ελπίζουν να καλύψουν μια πολύ μεγαλύτερη απόσταση 50 χιλιομέτρων - μεγαλύτερη από έναν μαραθώνιο.

Ενώ άλλες ερευνητικές ομάδες έχουν δείξει προηγουμένως εμπλοκή σε ακόμη μεγαλύτερες αποστάσεις χρησιμοποιώντας ουδέτερα άτομα, οι πλατφόρμες που βασίζονται σε ιόντα έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα. Ο Galli σημειώνει ότι οι πιστότητες των κβαντικών πυλών που εκτελούνται με παγιδευμένα ιόντα είναι καλύτερες από εκείνες των κβαντικών πυλών που εκτελούνται σε άτομα, κυρίως επειδή οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων είναι ισχυρότερες και πιο σταθερές από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων και ο χρόνος συνοχής των ιόντων είναι πολύ μεγαλύτερος.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/