Kayıplı bağlantılar üzerinden kuantum bilgilerinin depolanmasına ve iletilmesine yönelik bu teknoloji, ölçeklenebilir kuantum ağının temelini oluşturabilir.
Popüler çocuk telefon oyunu basit bir önermeye dayanmaktadır: Başlangıç oyuncusu bir sonraki oyuncunun kulağına bir mesaj fısıldar. İkinci oyuncu daha sonra mesajı üçüncü kişiye iletir ve mesaj son alıcıya ulaşana kadar devam eder, o da bunu gruba yüksek sesle iletir. Çoğunlukla ilk kişinin söylediği ile son kişinin duyduğu şey gülünç derecede farklıdır; bilgi zincir boyunca bozulur.
Başlangıçtan bitiş noktasına kadar bu tür iletim hataları kuantum dünyasında da yaygındır. Kuantum bilgi bitleri veya kubitler (geleneksel dijital elektronikteki klasik bitlerin analogları) bir kanal üzerinde ilerledikçe kuantum durumları bozulabilir veya tamamen kaybolabilir. Bu tür bir eşevresizlik özellikle daha uzun mesafelerde yaygındır çünkü ışık parçacıkları (fotonlar), elektronlar, atomlar veya diğer formlar olarak var olan kübitler doğası gereği kırılgandır ve kuantum fiziği yasalarına veya çok küçük nesnelerin fiziğine tabidir.
Bu küçük ölçekte (nano ölçekli), çevreleriyle en ufak etkileşimler bile kübitlerin kuantum özelliklerini kaybetmesine ve depoladıkları bilgilerin değişmesine neden olabilir. Telefon oyununda olduğu gibi orijinal mesaj ile alınan mesaj aynı olmayabilir.
Kuantum Ağ İletişimindeki Zorluklar ve Potansiyeller
Lideri Scott Hamilton, “Kuantum ağ oluşturmadaki en büyük zorluklardan biri, bu hassas kuantum durumlarının birden fazla kuantum sistemi arasında etkili bir şekilde nasıl taşınacağıdır” diyor. MİT Lincoln Laboratuvarı’nın Optik ve Kuantum İletişim Teknolojisi Grubu, İletişim Sistemleri Ar-Ge alanının bir parçası. “Bu, grubumuzda aktif olarak araştırdığımız bir soru.”
Hamilton’un açıkladığı gibi, bugünün kuantum hesaplama Çipler yaklaşık 100 kübit içerir. Ancak, yapay zeka ve siber güvenlikten sağlık hizmetleri ve üretime kadar çeşitli uygulamalar için benzeri görülmemiş hesaplama gücünün kilidini açmayı vaat eden, tamamen işleyen bir kuantum bilgisayar yapmak için milyarlarca olmasa da binlerce kübit gerekiyor. Büyük bir bilgisayar oluşturmak için çipleri birbirine bağlamak, ileriye doğru uygulanabilir bir yol sağlayabilir.
Algılama cephesinde, kuantum sensörlerini kuantum bilgisini paylaşmak için bağlamak, tek bir sensörün ötesinde yeni yetenekler ve performans kazanımları sağlayabilir. Örneğin, birden fazla sensör arasında paylaşılan bir kuantum referansı, radyo frekansı emisyon kaynaklarının yerini daha kesin bir şekilde belirlemek için kullanılabilir.
Uzay ve savunma kurumları aynı zamanda uydu tabanlı konum, navigasyon ve zamanlama sistemleri veya uydular arasındaki atomik saat ağları için uzun mesafelerle ayrılmış kuantum sensörlerinin birbirine bağlanmasıyla da ilgileniyor. İletişim için kuantum uyduları, yerel yer tabanlı istasyonları birbirine bağlayan kuantum ağ mimarisinin bir parçası olarak kullanılabilir ve gerçek anlamda küresel bir kuantum interneti yaratılabilir.
Ancak kuantum sistemleri mevcut teknolojiyle birbirine bağlanamaz. Günümüzde bir ağ üzerinden bilgi iletmek ve cihazları bağlamak için kullanılan iletişim sistemleri, bitleri ölçen dedektörlere ve bitleri kopyalayan amplifikatörlere dayanır.
Bu teknolojiler bir kuantum ağında çalışmaz çünkü kübitler kuantum durumunu bozmadan ölçülemez veya kopyalanamaz; Kübitler, sıfır (kapalı) veya bir (açık) olarak ayarlanmış durumda olan klasik bitlerin aksine, sıfır ile bir arasındaki durumların süperpozisyonunda bulunur.
Bu nedenle araştırmacılar, iletim ve ara bağlantı kaybının üstesinden gelmek için klasik amplifikatörlerin kuantum eşdeğerlerini geliştirmeye çalışıyorlar. Bu eşdeğerler kuantum tekrarlayıcılar olarak bilinir ve konsept olarak amplifikatörlere benzer şekilde çalışırlar ve kayıpları azaltmak için iletim mesafesini daha küçük, daha yönetilebilir bölümlere ayırırlar.
Kuantum Tekrarlayıcılar: Kuantum İletişiminin Geleceği
Hamilton, “Kuantum tekrarlayıcılar, kuantum ağlarının kayıplı bağlantılar üzerinden başarıyla bilgi göndermesi için kritik bir teknolojidir” diyor. “Fakat hiç kimse henüz tamamen işlevsel bir kuantum tekrarlayıcı yapmadı.”
Karmaşıklık kuantum tekrarlayıcıların nasıl çalıştığında yatmaktadır. Kuantum tekrarlayıcılar, klasik tekrarlayıcıların yaptığı gibi basit bir “kopyala ve yapıştır” yöntemi kullanmak yerine, dolaşıklık adı verilen tuhaf bir kuantum olgusundan yararlanarak çalışır. Kuantum dolaşıklığında, iki parçacık, aralarındaki mesafe ne olursa olsun uzayda güçlü bir şekilde bağlanır ve ilişkilendirilir. Dolanık bir çiftteki bir parçacığın durumunu biliyorsanız, diğerinin durumunu da otomatik olarak bilirsiniz.
Dolaşmış kübitler, kuantum bilgilerinin uzak sistemler arasında gerçek parçacıkları hareket ettirmeden gönderildiği kuantum ışınlanması için bir kaynak görevi görebilir; bilgi bir yerde kaybolur ve başka bir yerde yeniden ortaya çıkar. Işınlanma, fiber optik kablolar arasındaki fiziksel yolculuğu atlar ve dolayısıyla ilgili bilgi kaybı riskini ortadan kaldırır. Kuantum tekrarlayıcılar her şeyi birbirine bağlayan şeydir: kuantum dolaşmanın uçtan uca üretilmesini ve sonuçta kuantum ışınlanmasıyla kübitlerin uçtan uca iletilmesini sağlarlar.
Optik ve Kuantum İletişim Teknolojileri Grubu’nda araştırmacı olan Ben Dixon, sürecin nasıl çalıştığını şöyle açıklıyor: “Öncelikle belirli dolaşmış kubit çiftleri (Bell durumları olarak adlandırılır) oluşturmanız ve bunları ağ bağlantısı üzerinden farklı yönlerde iki ayrı bilgisayara iletmeniz gerekiyor. Bu kübitleri yakalayan ve saklayan kuantum tekrarlayıcılar.
“Kuantum tekrarlayıcılardan biri daha sonra iletilen ve depolanan kübit ile uzak kuantum sistemlerini birbirine bağlamak için bağlantı üzerinden göndermek istediğimiz rastgele bir kübit arasında iki kübitlik bir ölçüm yapıyor. Ölçüm sonuçları, bağlantının diğer ucundaki kuantum tekrarlayıcıya iletilir; tekrarlayıcı bu sonuçları depolanan Bell durumu kübitini isteğe bağlı kübite dönüştürmek için kullanır. Son olarak tekrarlayıcı, rastgele kubiti kuantum sistemine göndererek iki uzak kuantum sistemini birbirine bağlayabilir.
Kuantum Bellekteki Gelişmeler
Dolaşık durumları korumak için kuantum tekrarlayıcının bunları depolamanın bir yoluna, yani bir belleğe ihtiyacı vardır. 2020’de Harvard Üniversitesi’ndeki işbirlikçileri tek bir silikonda kübit tutmayı gösterdiler atom (iki karbon atomunun çıkarılmasıyla geride kalan iki boş alan arasında sıkışıp kalmış). Elmastaki bu silikon “boşluk” merkezi, çekici bir kuantum hafıza seçeneğidir.
Diğer bireysel elektronlar gibi, silikon atomunun en dıştaki (değerlik) elektronu, kuzey ve güney kutupları olan bir çubuk mıknatısa benzer şekilde yukarı veya aşağı doğru yönelebilir. Elektronun işaret ettiği yön, dönüşü olarak bilinir ve iki olası dönüş durumu, yukarı dönüş veya aşağı dönüş, bilgisayarların bilgiyi temsil etmek, işlemek ve depolamak için kullandıkları birler ve sıfırlara benzer.
Dahası, silikonun değerlik elektronu, elektron spin durumundaki bir fotonik kubiti aktarmak ve depolamak için görünür ışıkla manipüle edilebilir. Harvard araştırmacıları tam olarak bunu yaptı; nanofotonik bir optik boşlukla çevrelenmiş bir optik dalga kılavuzu (ışığı istenen yönde yönlendiren bir yapı) oluşturdular. foton silikon atomu ile güçlü bir şekilde etkileşime girer ve kuantum durumunu bu atoma aktarır.
MIT’deki işbirlikçileri daha sonra bu temel işlevselliğin birden fazla dalga kılavuzuyla çalışabileceğini gösterdi; sekiz dalga kılavuzu oluşturdular ve hepsinin içinde başarılı bir şekilde silikon boşlukları oluşturdular.
Lincoln Laboratuvarı o zamandan beri kuantum tekrarlayıcı olarak çalışacak ek yeteneklerle donatılmış bir kuantum bellek modülü oluşturmak için kuantum mühendisliğini uyguluyor. Bu mühendislik çalışması, yerinde özel elmas yetiştirmeyi (Quantum Information ve Integrated Nanosystems Group ile birlikte); silikon-boşluk kübitini kontrol etmek için ölçeklenebilir bir silikon-nanofotonik aracının (fotonik ve elektronik işlevleri birleştiren bir çip) geliştirilmesi; ve bileşenlerin uzun süreli bellek depolaması için gereken kriyojenik sıcaklıklara soğutulabilen bir sisteme entegrasyonu ve paketlenmesi. Mevcut sistemde her biri sekiz optik kubit tutabilen iki bellek modülü bulunuyor.
Pratik Testler ve Sonuçlar
Ekip, teknolojileri test etmek için laboratuvar tarafından kiralanan bir optik fiber test yatağından yararlanıyor. Bu test ortamı, şu anda üç düğümü birbirine bağlayan 50 kilometre uzunluğunda bir telekomünikasyon ağı fiberine sahiptir: Lincoln Laboratuvarı’ndan MIT kampüsüne ve MIT kampüsünden Harvard’a. Yerel endüstriyel ortaklar da Boston-Area Quantum Network’ün (BARQNET) bir parçası olarak bu fiberden yararlanabilirler.
Hamilton, “Amacımız, akademik ortaklarımız tarafından yapılan en son teknolojiye sahip araştırmaları alıp, gerçek kanallar üzerinde gerçek kayıplarla test etmek için laboratuvarın dışına taşıyabileceğimiz bir şeye dönüştürmektir” diyor. “Tüm bu altyapı, bir fiber sisteme dolaşma sağlamak ve onu çeşitli taraflar arasında taşımak için temel deneyler yapmak açısından kritik öneme sahiptir.”
Bu test yatağını kullanan ekip, MIT ve Harvard araştırmacılarıyla işbirliği içinde, konuşlandırılmış bir telekomünikasyon fiberi üzerinden nanofotonik kuantum hafıza ile kuantum etkileşimini gösteren dünyada ilk kişi oldu. Harvard’da bulunan kuantum tekrarlayıcıyla, laboratuvardan kuantum durumlarıyla kodlanmış fotonları fiber üzerinden gönderdiler ve bunları, iletilen kuantum durumlarını yakalayıp depolayan silikon-boşluklu kuantum belleğiyle arayüz haline getirdiler. Kuantum durumlarının silikon atomunun yukarı veya aşağı dönüş konumuna ne kadar iyi aktarıldığını belirlemek için silikon atomundaki elektronu ölçtüler.
“Mesafe, verimlilik (kayıp hatası), doğruluk ve ölçeklenebilirlik gibi ilgili kuantum tekrarlayıcı ölçümleri için test ortamı performansımıza baktık ve dünyadaki diğer önde gelen çabalarla karşılaştırıldığında tüm bu ölçümler için en iyi veya en iyiye yakın sonuçlar elde ettiğimizi gördük. “diyor Dixon. “Mesafemiz herkesin gösterdiğinden daha uzun; Verimliliğimiz makul düzeyde ve bazı test yatağı bileşenlerimizi optimize ederek verimliliğimizi daha da artırabileceğimizi düşünüyoruz; bellekten okunan kübit, gönderdiğimiz kübitle yüzde 87,5 doğrulukla eşleşiyor; ve elmasın, binlerce kubiti küçük bir çip üzerine koymayı hayal edebileceğiniz, doğasında olan bir litografik desenleme ölçeklenebilirliği var.”
Lincoln Laboratuvarı ekibi artık her düğümde birden fazla kuantum hafızasını birleştirmeye ve ek düğümleri kuantum ağ test yatağına dahil etmeye odaklanıyor. Bu tür ilerlemeler, ekibin kuantum ağ protokollerini sistem düzeyinde keşfetmesine olanak tanıyacak.
Ayrıca Harvard ve MIT işbirlikçilerinin yürüttüğü malzeme bilimi araştırmalarını da sabırsızlıkla bekliyorlar. Bu araştırmalar, daha pratik çalışma için elmastaki biraz daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilen diğer atom türlerini tanımlayabilir.
Nanofotonik kuantum bellek modülü bir ile tanındı 2023 Ar-Ge 100 Ödülü.