ICFO araştırmacıları Nature Communications dergisinde, çoklanmış kuantum belleği kullanan benzersiz bir yöntemle, bir fotondan katı hal kübitine 1 kilometre mesafeden kuantum ışınlamayı başardıklarını duyurdular.
Kuantum ışınlama olarak bilinen yöntem, kuantum bilgisini iki uzak kuantum nesnesi, bir gönderici ve bir alıcı arasında taşımak için kuantum dolanıklık olgusundan yararlanıyor. Bu yöntemin ayırt edici yönü, bilginin fiziksel olarak bir konumdan diğerine taşınmamasıdır; bunun yerine, iki taraf arasında bir iletişim kanalından geçmeden bir konumda yok edilir ve diğerinde ortaya çıkar. Kuantum mekaniğindeki klasik bitlerin iletimine eşlik eden dolanıklık, bu beklenmedik davranışı mümkün kılmaktadır.
Kuantum iletişimi ve kuantum ağları
Önceden paylaşılan dolaşıklığı kullanarak kuantum bitlerini ağ düğümleri arasında son derece uzun mesafelere taşıma yeteneği, kuantum iletişimi ve kuantum ağları alanlarında kuantum ışınlanmasına yoğun ilgi uyandırmıştır. Bu, kuantum teknolojilerinin mevcut telekomünikasyon ağlarına dahil edilmesini kolaylaştıracak ve bu sistemler tarafından mümkün kılınan ultra güvenli iletişim aralığını artıracaktır. Kuantum ışınlanması aynı zamanda kuantum bilgisinin ışık ve madde arasında veya çeşitli kuantum düğümleri arasında olduğu gibi çeşitli kuantum sistemleri arasında aktarılmasına da olanak tanır.
1990’ların başında kuantum ışınlama teorik olarak ortaya atılmış ve dünya çapında çok sayıda grup deneysel gösteriler gerçekleştirmiştir. Bilim camiası bu deneylerin nasıl yapılacağı konusunda önemli bir bilgi birikimine sahip olsa da, geniş bir ağ üzerinde güvenilir ve hızlı kuantum iletişimi sağlayacak olan bilgi ışınlanmasının pratikliği konusunda hala belirsizlik vardır. Bu tür bir altyapının mevcut telekom ağıyla birlikte çalışması makul görünmektedir. Bilgiyi daha doğru ve hızlı bir şekilde aktarmak için, kuantum ışınlama protokolü tarafından ışınlama ölçümünün (klasik bitlerle iletilen) sonucuna bağlı olarak ışınlanan kübite uygulanacak aktif ileri besleme olarak bilinen bir özellik gereklidir.
Sonuç olarak, alıcının kuantum belleği olarak bilinen ve son işlem gerçekleştirilinceye kadar kubiti bozulmadan tutabilecek bir bileşene ihtiyacı vardır. Gönderici ve alıcı birbirinden uzakta olduğunda, bu kuantum belleği bilgi ışınlama hızını en üst düzeye çıkarmak için çoklanmış bir şekilde çalışabilmelidir. Bu üç ihtiyaç henüz herhangi bir uygulama tarafından tek bir gösterimde birleştirilmemiştir.
ICFO’dan araştırmacılar Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac ve Samuele Grandi, ICFO’da ICREA profesörü olan Hugues de Riedmatten yönetiminde, kısa bir süre önce kuantum bilgisinin bir fotondan katı hal kübitine, çoklanmış bir kuantum belleğinde depolanan bir fotona uzun mesafeli ışınlanmasını başardıklarını bildirdiler.
Yöntem, belleğin çok modluluğu ile birleştirildiğinde ışınlanma oranının en üst düzeye çıkarılmasına izin veren aktif bir ileri besleme sistemi kullanmıştır. Uzun mesafeli kuantum iletişimi, önerilen mimarinin telekomünikasyon kanallarıyla uyumluluğu sayesinde mümkün oldu ve bu da gelecekteki entegrasyon ve ölçeklenebilirliğe izin verdi.
Kuantum ışınlamanın işe yaraması
Grup, yerel dilde Alice ve Bob olarak bilinen iki deneysel kurulum oluşturdu. Taraflar arasındaki fiziksel mesafeyi simüle etmek amacıyla, iki kurulumu birbirine bağlamak için 1 kilometrelik bir optik fiber kullanıldı.
Deneyde üç foton kullanıldı. Alice adı verilen ilk konfigürasyonda, bilim insanları iki dolaşık foton üretmek için özel bir kristal kullandılar: sinyal fotonu olarak bilinen 606 nm’deki ilk foton; ve iletişim ağıyla uyumlu, avare foton olarak bilinen ikinci foton. Dalga boyu 606 nm olan ilk foton üretildiğinde, “onu Alice’te tuttuk ve çoklanmış bir katı hal kuantum belleğine koyduk ve daha sonra işlenmek üzere bellekte sakladık. Buna paralel olarak Alice’de üretilen telekom fotonunu 1 km’lik optik kablo üzerinden Bob olarak bilinen ikinci deney düzeneğine taşıdık” diyor Dario Lago.
Taşımak istedikleri kuantum biti, bilim insanları tarafından ikinci düzenekte, yani Bob’da üretilen üçüncü bir fotonda kodlanmıştır. Işınlanma deneyinin temel olayı, üçüncü foton yaratıldığında ve ikinci foton Alice’ten Bob’a ulaştığında meydana gelir.
İkinci ve üçüncü fotonlar arasındaki etkileşim Bell Durum ölçümü (BSM) olarak bilinir. Bu ölçüm sonucunda ikinci ve üçüncü fotonların durumları karışmıştır. Birinci ve ikinci fotonların başlangıçtaki dolaşıklığı ya da yüksek korelasyonlu ortak durumu, BSM’nin üçüncü fotonda bulunan bilgiyi Alice’in bir kilometre mesafedeki kuantum hafızasında sakladığı birinci fotona aktarmasına izin verdi. Dario Lago ve Jelena Rakonjac’ın belirttiği gibi, daha önce hiç etkileşime girmemiş, ancak aslında birincisiyle dolaşık olan üçüncü bir foton tarafından birleştirilen iki foton arasında bilgi iletebiliyoruz.
Bu deney, ilk fotonu yeterince uzun bir süre saklayabilen çoklanmış bir kuantum belleği kullandığımız için öne çıkmaktadır; Alice etkileşimin gerçekleştiğini fark ettiğinde, protokolün gerektirdiği şekilde ışınlanan verileri hala işleyebiliyorduk.
Dario ve Jelena’nın bahsettiği işlem aktif ileri besleme yöntemi kullanılarak yapıldı. İlk foton hafızaya kaydedildikten sonra BSM’nin nasıl sonuçlandığına bağlı olarak faz değiştirdi. Bu şekilde yapılırsa ilk foton her zaman aynı durumu taşıyacaktır. Bu olmadan, ışınlanma olaylarının yarısını reddetmek gerekirdi.
Ayrıca, kuantum belleğin çok modluluğu sayesinde taşınan kübitin kalitesinden ödün vermeden ışınlama hızını 1 km’lik aralıklarının belirlediği kısıtlamaların ötesine taşıyabildiler. Genel olarak bu, yalnızca klasik donanımın hızıyla kısıtlanan ve tek modlu bir kuantum bellekten üç kat daha yüksek olan bir ışınlama oranı üretti.
Kuantum Entegrasyon ve Ölçeklenebilirlik
Bu deneyin öncülü, bu grup tarafından 2021 yılında yapılan, 10 metre ayrılmış ve telekomünikasyon dalga boyunda bir fotonla işaretlenen iki çok modlu kuantum bellek arasında dolaşıklığı başarıyla gerçekleştirdikleri çalışmaydı.
Hugues de Riedmatten’in de altını çizdiği gibi kuantum ışınlama, geleceğin kuantum internetinde yüksek kaliteli uzun mesafeli iletişimi mümkün kılmak için elzem olacaktır. Her zamankinden daha karmaşık ağlarda kuantum ışınlanmayı mümkün kılmak için önceden dağıtılmış dolaşıklığı kullanmak istiyoruz. Kuantum düğümlerimiz, katı hal ve çoğullama özelliklerinin yanı sıra telekom ağıyla uyumlulukları nedeniyle teknolojiyi yerleşik fiber ağda uzun mesafelere yaymak için umut verici bir yöntemdir.
Şimdiden daha fazla ilerleme düşünülüyor. Bir yandan, ekibin ana hedefi teknolojiyi ilerletmek ve kurulumu çok daha uzak mesafelere genişletirken hızları ve verimliliği korumaktır. Kuantum bilgisini uzak taraflar arasında iletebilecek ve işleyebilecek gelecekteki bir kuantum interneti için, bu yaklaşımı çeşitli kuantum düğümleri arasında bilgi taşımak için araştırmayı ve kullanmayı da planlıyorlar.
Kaynak: icfo.eu/news
