Μία ομάδα διεθνών επιστημόνων πέτυχε ένα σημαντικό ορόσημο στον τομέα της κβαντικής επικοινωνίας, με τηλεμεταφορά της κατάστασης πόλωσης ενός φωτονίου σε απόσταση 270 μέτρων. Η πρωτοποριακή έρευνα αποδεικνύει ότι η κβαντική πληροφορία μπορεί να ταξιδέψει μεταξύ ανεξάρτητων συσκευών, προχωρώντας ένα μεγάλο βήμα προς τη δημιουργία ενός κβαντικού διαδικτύου.
Οι ερευνητές, με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Παντερμπόρν στη Γερμανία και το Πανεπιστήμιο Σαπιέντζα στη Ρώμη, πραγματοποίησαν την πρώτη τηλεμεταφορά κβαντικών καταστάσεων μεταξύ δύο ξεχωριστών κβαντικών τελειών (quantum dots). Η πειραματική διάταξη περιελάμβανε μια σύνδεση ανοιχτού αέρα μήκους 270 μέτρων που ένωνε δύο κτίρια στο Πανεπιστήμιο Σαπιέντζα.
Το Επιστημονικό Κατόρθωμα
Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν αποτελεί μεταφορά ύλης αλλά μεταφορά κβαντικών καταστάσεων. Στην πειραματική διάταξη, η κατάσταση πόλωσης ενός φωτονίου μεταφέρθηκε από ένα κβαντικό τελείω σε άλλο που βρισκόταν φυσικά απομονωμένο, διατηρώντας πιστότητα έως και 82 ± 1% - ποσοστό που ξεπερνά το κλασικό όριο κατά περισσότερες από 10 τυπικές αποκλίσεις.
Ο Καθηγητής Κλάους Γιονς, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας «Υβριδικές Φωτονικές Κβαντικές Συσκευές» στο Πανεπιστήμιο Παντερμπόρν, εξηγεί: «Το πείραμα αποδεικνύει εντυπωσιακά ότι οι πηγές κβαντικού φωτός που βασίζονται σε ημιαγωγούς κβαντικά τελείω θα μπορούσαν να αποτελέσουν βασική τεχνολογία για μελλοντικά δίκτυα κβαντικής επικοινωνίας».
Μία Δεκαετία Συνεργασίας
Η επιτυχία αυτή αποτελεί αποτέλεσμα μιας δεκαετίας συνεργασίας μεταξύ ερευνητικών κέντρων σε ολόκληρη την Ευρώπη. Τα κβαντικά τελείω σχεδιάστηκαν με ακρίβεια στο Πανεπιστήμιο Γιοχάνες Κέπλερ Λιντς, ενώ η νανοκατασκευή των συντονιστών πραγματοποιήθηκε από συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο Βύρτσμπουργκ. Οι πειραματικές δοκιμές τηλεμεταφοράς έλαβαν χώρα στο Πανεπιστήμιο Σαπιέντζα της Ρώμης.
«Σχεδόν δέκα χρόνια πριν, οι Καθηγητές Γιονς και Τρότα σκιαγράφησαν ένα σχέδιο για τη χρήση κβαντικών τελειών ως πηγών εμπλεγμένων ζευγών φωτονίων σε συστήματα επικοινωνίας και τηλεμεταφοράς», αναφέρει η μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Η Σημασία της Εμπλοκής
Τα εμπλεγμένα συστήματα που αποτελούνται από πολλαπλά κβαντικά σωματίδια προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα για τις τεχνολογίες επικοινωνίας. Αντί να βασίζονται σε μία μόνο κατάσταση που καθορίζεται από ένα φωτόνιο, αυτά τα συστήματα δημιουργούν διασυνδεδεμένες καταστάσεις σε πολλαπλά σωματίδια.
«Προηγουμένως, αυτά τα φωτόνια προέρχονταν από την ίδια πηγή, δηλαδή τον ίδιο πομπό», σημειώνει ο Καθηγητής Γιονς. «Αν και έχουν σημειωθεί σημαντικές προόδοι τα τελευταία χρόνια, η χρήση διακριτών κβαντικών πομπών για την υλοποίηση ενός κβαντικού αναμεταδότη μεταξύ ανεξάρτητων μερών είχε παραμείνει εκτός εμβέλειας».
Τεχνολογικές Προκλήσεις
Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε περιελάμβανε συγχρονισμό με βοήθεια GPS, εξαιρετικά γρήγορους ανιχνευτές μονών φωτονίων και μεθόδους σταθεροποίησης για την αντιμετώπιση της ατμοσφαιρικής αναταραχής. Η μέθοδος απαιτεί εξαιρετική ακρίβεια, καθώς ακόμη και μικρές διαταραχές μπορούν να διαταράξουν την κβαντική εμπλοκή.
«Ο συνδυασμός εξαιρετικής επιστήμης υλικών, νανοκατασκευής και οπτικής κβαντικής τεχνολογίας ήταν το κλειδί της επιτυχίας μας», δήλωσε ο Καθηγητής Γιονς.
Το Επόμενο Βήμα: Κβαντικός Αναμεταδότης
Η επιτυχία αυτή ανοίγει το δρόμο για το επόμενο στόχο: την απόδειξη της «εναλλαγής εμπλοκής» μεταξύ δύο κβαντικών τελειών. Η επίτευξη αυτού του στόχου θα δημιουργήσει τον πρώτο κβαντικό αναμεταδότη χρησιμοποιώντας δύο ντετερμινιστικές πηγές εμπλεγμένων ζευγών φωτονίων.
Οι ντετερμινιστικές πηγές μπορούν αξιόπιστα να παράγουν μονά φωτόνια σχεδόν κατό παραγγελία, αν και η ανάπτυξή τους έχει αποτελέσει μια σημαντική πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα.
Ευρωπαϊκή Συνεργασία
Σχεδόν ταυτόχρονα, μια άλλη ερευνητική ομάδα από το Στουτγκάρδη και το Σάαρμπρυκεν ανέφερε μια παρόμοια επιτυχία χρησιμοποιώντας μετατροπή συχνότητας. Μαζί, αυτά τα αποτελέσματα αποτελούν ένα σημαντικό ορόσημο για την κβαντική έρευνα στην Ευρώπη και φέρνουν το όραμα ενός λειτουργικού κβαντικού διαδικτύου πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Πηγές
- www.sciencedaily.com
- Nature Communications