Kuantum Dolaşıklığı bilgileri 50 km uzunluğundaki fotonlar, hapsolmuş iyonlara dayalı bir kuantum tekrarlayıcı aracılığıyla iletilebilir. Son 50 yılda iletişim ağları toplumumuzu tamamen değiştirdi ve artık onlarsız bir yaşamı hayal etmekte zorlanıyoruz. Bilim insanları, kuantum teknolojileri alanındaki son gelişmelerin bir sonucu olarak kuantum cihazlarını ağlara bağlama olasılığı konusunda heyecan duyuyorlar. Uzun mesafeli kuantum iletişimi, geleneksel ağlarda mevcut olmayan yeteneklerin mümkün olabileceğini müjdeliyor. Kuantum ağları, dolanıklık ve diğer kuantum etkilerinden tam olarak faydalanmak için tek foton seviyesinde sinyal alışverişi yapmaktadır. Sonuç olarak, bu sistemlerdeki hatanın ana nedeni fiberdeki zayıflamadır.
Bununla birlikte, foton kaybı, iki dağınık ağ düğümünü doğrudan dolaştıran kuantum tekrarlayıcılar olarak bilinen bir grup aracı ağ düğümü kullanılarak önlenebilir. Elmastaki nitrojen boşluk merkezlerine dayanan bir kuantum tekrarlayıcı kullanılarak 32 m ile ayrılmış iki ağ düğümünün dolaşıklığı kısa süre önce başarıldı. Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi’nden Victor Krutyanskiy ve arkadaşları, kuantum tekrarlayıcı olarak tuzaklanmış iyonları kullanarak 25 km uzunluğundaki iki ayrı dolaşık bağlantıyı 50 km uzunluğunda tek bir bağlantıda birleştirmeyi başardı. Bu mesafe, gerçek dünyadaki işlevsel kuantum ağlarının ihtiyaç duyduğu türden bir mesafedir.
İşlevsel kuantum tekrarlayıcıların sahip olması gereken üç ideal özellik göz önünde bulundurulduğunda, Krutyanskiy ve meslektaşlarının başarısının önemi anlaşılabilir. Bunlardan ilki kuantum belleğe erişime sahip olmaktır [5]. Uzaktan dolaşıklık üretme yöntemi, foton kaybı ve diğer donanım yetersizlikleri nedeniyle belirsizdir. Uçtan uca bir bağlantı ancak tüm kısa mesafeli bağlantıların aynı anda başarılı olması durumunda yapılabilseydi, genel başarı oranı katlanarak küçük olurdu. Kuantum bellekler, kısa mesafeli dolaşıklığı depolayarak başarısız bağlantıların dolaşıklık oluşturma girişimlerini tekrarlamalarını sağlar.
Dolaşıklığın “eklenmesi” arzu edilen üçüncü özelliğe bağlıdır. Sabit bir kuantum bellek ve fiber boyunca hareket eden “uçan” bir foton, tekrarlayıcı sayesinde dolaşık hale gelir. İkinci bir uçan foton yaratmak için, yeni bir bellek kullanarak işlemi tekrarlar. İki foton iki farklı, uzak ağ düğümüne gönderilerek iki ayrı dolaşık bağlantı oluşturulur. Tekrarlayıcı daha sonra bu bağlantıları birleştirmek için dolaşıklık takası olarak bilinen bir süreç kullanır. Uçtan uca dolaşıklığın paha biçilmez toplam başarı oranını korumak için, birleştirme işlemi olasılıksal değil deterministik olmalıdır.
Bu üç özellik Krutyanskiy ve ekibi tarafından tek bir sistemde birleştirildi. Ayrıca, kuantum ağlarının pratik kullanımları için uygun bir mesafe olan 50 km uzaklıktaki iki ağ düğümü A ve B arasında dolaşıklık dağıttılar. Ekip, iki kalsiyum 40Ca+ iyonunu yakalayarak ve bunları iki kuantum belleği olarak kullanarak bu başarıyı elde edebildi. İki iyon önce temel durumlarına başlatılıyor ve ardından tekrarlayıcı protokolünün bir parçası olarak lazer darbeleriyle art arda aydınlatılıyor. İyonlar, daha yüksek bir enerji durumuna yükselmek için lazerden yeterli enerjiyi alıyor. İyonların daha sonra parçalanmasının bir sonucu olarak her iyon bir foton yayar ve bu da iyon-foton çiftinin dolaşık kalmasını sağlar.
Fotonlar, yayılan fotonların orijinal dalga boyunu sonraki seyahatleri için uygun bir telekom dalga boyuna dönüştüren bir cihaz olan dalga boyu dönüştürücüsünde toplanır. İki foton daha sonra 25 km uzunluğundaki optik fiber makaraları kullanılarak A ve B düğümlerine yönlendirilir. İyon-foton dolanıklığı daha sonra tekrarlayıcı tarafından, tuttuğu iki iyon üzerinde deterministik dolanıklık takası gerçekleştirilerek 50 km’ye yayılan bir foton-foton dolanıklığına dönüştürülür.
Dolaşıklık dağılımını tekrar tekrar tekrarlayarak ve A ve B düğümlerindeki fotonları ölçerek, durum tomografisi son foton-foton durumunu belirleyebilir ve paylaşılan foton-foton durumunun ne kadar sadık olduğuna dair istatistiksel bir ölçü oluşturabilir.
Kusursuz bir ideal durum birim sadakat ile temsil edilir. A ve B düğümleri 9,2 Hz’lik bir başarı oranı ve deneme başına 9,2 104’lük bir başarı olasılığı ile dolanıklık elde edebilmiş ve bu da 0,72’lik bir aslına uygunluk ile sonuçlanmıştır. Bu aslına uygunluk, foton dolanıklığı için gereken 0,5 değerinden çok daha yüksektir. Araştırmacılar ayrıca, tekrarlayıcı kullanmadan, foton-foton dolanıklığının 50 km’lik bir mesafeye dağıtıldığı bir deney gerçekleştirdiler. Tekrarlayıcı destekli tekniklerin kullanılmasının yararı, 6,7 Hz’lik düşük başarı oranıyla açıkça ortaya konmuştur. Deneyin çalışma mesafelerinde bu avantaj önemsiz görünebilir. Ancak 100 km’den daha uzak mesafelerde, tekrarlayıcı olmadığında başarı oranı dramatik bir şekilde düşmektedir.
Innsbruck ekibi analizinde, çok sayıda birleştirilmiş tekrarlayıcının uçtan uca 800 km mesafeye yayılması için deneysel ayarların ne kadar daha iyi olması gerektiğini düşündü. Şaşırtıcı bir şekilde, özelliklerin birçoğunda çok az değişiklik yapılması gerekiyor. En önemli gelişme, birkaç tekrarlayıcıyı birbirine bağlamak için gerekli olan nondeterministik foton dolaşıklık değiştiricisinde gereklidir. Araştırmacılar, gelişmelerin neden yakın zamanda uygulanabilir olduğuna dair güçlü vakalar ortaya koyuyor.
Kuantum iletişiminin heyecan verici deneysel örnekleri yakın zamanda gerçekleşmiştir. Bu çalışmalarda gösterilen uzun mesafeli kapasiteler ışığında, kuantum ağlarının teorik kavramlardan pratik uygulamalara doğru hızla ilerlediği açıktır. Geleneksel bir ağ olan internetten alınan iki önemli dersi hatırlamak çok önemlidir. Öncelikle, iyi bir donanıma sahip olmak küresel ölçekte iletişimi mümkün kılmak için yeterli değildir. Bununla birlikte sağlam bir yazılım mimarisine ihtiyaç vardır. İkincisi, iyi bir yazılımın olgunlaşması uzun zaman alır. Donanım ve yazılımın birbirini takip ederek ilerlemesini sağlamak için fizikçiler ve teknoloji uzmanları, özel bağlantı katmanı protokolleri ve geleceğin kuantum internetinin eksiksiz mimarilerini oluşturmak için işbirliği yapıyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/84
