جهش عظیم به سوی اینترنت کوانتومی با تحلیلگر وضعیت بل انجام شد

4 مارس 2022 – توسط آزمایشگاه ملی اوک ریج -جوزف لوکنز از ORNL آزمایشاتی را در یک آزمایشگاه نوری انجام می دهد. اعتبار: جیسون ریچاردز/ORNL، وزارت انرژی ایالات متحده

تسلط روزافزون دانشمندان بر مکانیک کوانتومی نوید عصر جدیدی از نوآوری است. فن‌آوری‌هایی که از کوچک‌ترین مقیاس طبیعت بهره می‌برند، پتانسیل عظیمی را در سراسر طیف علمی نشان می‌دهند، از رایانه‌هایی که به طور تصاعدی قدرتمندتر از سیستم‌های پیشرو امروزی، حسگرهایی که قادر به تشخیص ماده تاریک گریزان هستند، و اینترنت کوانتومی تقریبا غیرقابل هک کردن.

محققان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge، Freedom Photonics و دانشگاه پوردو، با طراحی و نمایش اولین تحلیلگر وضعیت Bell برای کدگذاری فرکانس، گام‌هایی را به سوی یک اینترنت کاملا کوانتومی برداشته‌اند.یافته های آنها در Optica منتشر شد.

قبل از ارسال اطلاعات از طریق یک شبکه کوانتومی، ابتدا باید در حالت کوانتومی کدگذاری شود. این اطلاعات در کیوبیت‌ها یا نسخه کوانتومی «بیت‌های» محاسباتی کلاسیک که برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌شود، وجود دارد که درهم می‌آیند، به این معنی که در حالتی قرار می‌گیرند که در آن نمی‌توان آنها را مستقل از یکدیگر توصیف کرد.

درهم تنیدگی بین دو کیوبیت زمانی به حداکثر می رسد که کیوبیت ها در “حالت های بل” هستند.

اندازه‌گیری این حالت‌های بل برای اجرای بسیاری از پروتکل‌های لازم برای انجام ارتباطات کوانتومی و توزیع درهم‌تنیدگی در یک شبکه کوانتومی حیاتی است. و در حالی که این اندازه‌گیری‌ها برای سال‌ها انجام شده‌اند، روش این تیم نشان‌دهنده اولین تحلیلگر حالت بل است که به‌طور خاص برای کدگذاری فرکانس بن توسعه یافته است، یک روش ارتباطی کوانتومی که فوتون‌های منفرد ساکن در دو فرکانس مختلف را به‌طور همزمان مهار می‌کند.

دانشمند تحقیقاتی ORNL، Wigner Fellow و عضو تیم جوزف لوکنز گفت: اندازه‌گیری این حالت‌های بل برای ارتباطات کوانتومی اساسی است. “برای دستیابی به مواردی مانند انتقال از راه دور و تعویض درهم تنیدگی، به یک تحلیلگر وضعیت بل نیاز دارید.”

انتقال از راه دور عمل ارسال اطلاعات از یک طرف به طرف دیگر در یک فاصله فیزیکی قابل توجه است، و مبادله درهم تنیدگی به توانایی درهم‌تنیدگی جفت‌های کیوبیت که قبلاً درهم‌تنیده نبوده‌اند اشاره دارد.

لوکنز گفت: تصور کنید دو کامپیوتر کوانتومی دارید که از طریق یک شبکه فیبر نوری به هم متصل هستند. “به دلیل جدایی فضایی آنها، آنها نمی توانند به تنهایی با یکدیگر تعامل داشته باشند.با این حال، فرض کنید هر یک از آنها می توانند با یک فوتون به صورت محلی درگیر شوند. با فرستادن این دو فوتون به پایین فیبر نوری و سپس انجام اندازه گیری حالت بل روی آنها در جایی که به هم می رسند، نتیجه نهایی این خواهد بود که دو کامپیوتر کوانتومی دوردست اکنون در هم پیچیده شده اند. این به اصطلاح مبادله درهم تنیدگی یک قابلیت حیاتی برای ساخت شبکه های کوانتومی پیچیده است.”

در حالی که در مجموع چهار حالت بل وجود دارد، تحلیلگر فقط می‌تواند بین دو حالت در هر زمان مشخص تمایز قائل شود. اما این خوب است، زیرا اندازه گیری دو حالت دیگر مستلزم افزودن پیچیدگی بسیار زیاد است که تا کنون غیرضروری است.

آنالایزر با شبیه سازی طراحی شده است و 98٪ ثبوت را نشان داده است. لوکنز گفت: نرخ خطای دو درصدی باقیمانده نتیجه نویز غیرقابل اجتناب از آماده‌سازی تصادفی فوتون‌های آزمایشی است و نه خود آنالیزور. این دقت باورنکردنی، تمرکز قبلی تحقیقات لوکنز، پروتکل‌های ارتباطی اساسی لازم برای بسته ‌های فرکانس را فعال می‌کند.

در پاییز 2020، لوکنز و همکارانش در پوردو برای اولین بار نشان دادند که چگونه کیوبیت‌های تک فرکانس را می‌توان به طور کامل در صورت نیاز برای انتقال اطلاعات از طریق یک شبکه کوانتومی کنترل کرد.

محققان با استفاده از فناوری توسعه‌یافته در ORNL که به عنوان پردازشگر فرکانس کوانتومی شناخته می‌شود، گیت‌های کوانتومی با کاربرد گسترده یا عملیات منطقی لازم برای اجرای پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی را نشان دادند. در این پروتکل‌ها، محققان باید بتوانند فوتون‌ها را به روشی که کاربر تعریف می‌کند، دستکاری کنند، اغلب در پاسخ به اندازه‌گیری‌هایی که روی ذرات در نقاط دیگر شبکه انجام می‌شود.

در حالی که عملیات سنتی مورد استفاده در رایانه‌های کلاسیک و فناوری‌های ارتباطی، مانند AND/OR، روی صفرها و یک‌های دیجیتال به‌صورت جداگانه عمل می‌کنند، دروازه‌های کوانتومی بر روی هم‌زمان‌های صفر و یک عمل می‌کنند، و اطلاعات کوانتومی را هنگام عبور محافظت می‌کنند، برای تحقق بخشیدن به شبکه های کوانتومی واقعی یک پدیده مورد نیاز است.

در حالی که رمزگذاری فرکانس و درهم تنیدگی در بسیاری از سیستم ها ظاهر می شود و به طور طبیعی با فیبر نوری سازگار است، استفاده از این پدیده ها برای انجام عملیات دستکاری و پردازش داده ها به طور سنتی دشوار است.

با تکمیل تحلیلگر حالت بل، لوکنز و همکارانش به دنبال توسعه یک آزمایش کامل مبادله درهم تنیدگی هستند که اولین آزمایش در نوع خود در رمزگذاری فرکانس خواهد بود. این کار به عنوان بخشی از پروژه بستر آزمایشی اینترنت با شتاب کوانتومی ORNL که اخیرا توسط DOE اهدا شده است، برنامه ریزی شده است. https://phys.org