Kuantum dolaşıklığı uzun mesafelerde ilerleme sağlıyor

Kuantum teknolojileri şu anda inanılmaz bir hızla olgunlaşıyor. Bu teknikler, uygun şekilde tasarlanmış sistemlerde kuantum mekaniğinin ilkelerinden yararlanır ve mevcut “klasik” teknolojilere dayanan cihazlarla mümkün olanın çok ötesinde hesaplama verimliliğini veya iletişim güvenliğini artırma gibi parlak beklentilere sahiptir. Klasik cihazlarda olduğu gibi, tam potansiyellerini gerçekleştirmek için kuantum cihazlarının da bir ağa bağlanması gerekecek. Prensip olarak bu, geleneksel iletişimde kullanılan fiber optik ağlar kullanılarak yapılabilir. Ancak pratik uygulama, kuantum sistemlerinde kodlanan bilgilerin iletişim ağlarında kullanılan frekanslarda güvenilir bir şekilde saklanabilmesini gerektirir; bu, henüz tam olarak kanıtlanmamış bir yetenektir. Nature Communications dergisinde yazan Profesör Xiaosong Ma’nın Nanjing Üniversitesi’ndeki grubu, genişletilmiş ağlarda konuşlandırılabilen bir platformda iletişim dalga boylarında rekor uzunlukta kuantum depolamanın, pratik büyük ölçekli kuantum ağlarının önünü açtığını bildirdi.

Işığı koruyun

İnternetin fiziksel dokusu optik fiberlerden dokunmuştur. Bu geniş ağları oluşturan fiberglasın saf olduğu bilinmektedir. Yaygın bir örnek, bu camdan yapılmış bir kilometre kalınlığındaki pencerenin arkasını net bir şekilde görebilmenizdir. Ancak bazı kayıplar kaçınılmazdır ve iletişim ağları üzerinden iletilen optik sinyallerin, mesafeler birkaç yüz kilometreyi aştığında düzenli aralıklarla “yenilenmesi” gerekir. Klasik sinyaller için, tekrarlayan sinyal amplifikasyonuna dayalı, iyi kurulmuş ve rutin olarak kullanılan teknikler vardır. Ancak ışığın kuantum durumları için rutin olarak kullanılan bu yöntemler maalesef uygun değildir.

“Kuantum ışığı” neden farklıdır? Kuantum teknolojilerini bu kadar güçlü kılan temel unsurlardan biri, iki veya daha fazla ışık kuantumunun (veya fotonun) birbirleriyle klasik ışık için mümkün olandan daha güçlü korelasyonları paylaştığı bir durum olan kuantum dolaşıklığıdır. Geleneksel optik sinyal yenileme işleminde optik sinyal, tekrar ışık darbelerine dönüştürülmeden önce güçlendirilen bir elektrik sinyaline dönüştürülür. Ancak böyle bir süreçte dolaşık fotonlar önemli kuantum korelasyonlarını kaybedeceklerdir. Aynı sorun diğer geleneksel yöntemlerde de yaşanıyor.

Çözüm kuantum tekrarlayıcılar olarak adlandırılanları kullanmaktır. Kısacası, kuantum tekrarlayıcılar kırılgan bir dolaşık durumu depolar ve onu, sonraki düğümle dolaşıklığı paylaşan başka bir kuantum durumuna dönüştürür. Başka bir deyişle, sinyali yükseltmek yerine düğümler birbirine bağlanır ve benzersiz kuantum özelliklerinden yararlanılır. Bu kuantum tekrarlayıcı ağlarının kalbinde, ışığın kuantum durumlarının depolanabileceği kuantum anılar bulunur. Bu tür anıların yeterince uzun bir depolama süresiyle elde edilmesi, özellikle iletişim dalga boylarındaki (yani yaklaşık 1,5 mikrometre) fotonlar için büyük bir zorluktur.

Kristal berraklığında kasa

Xiaosong Ma’nın grubundaki Ming Hao Jiang, Weny Xue ve meslektaşlarının, yaklaşık 2 mikrosaniyelik bir depolama süresiyle iki telekomünikasyon fotonunun dolaşmış durumunun depolandığını ve geri getirildiğini bildirmesi heyecanı buradan kaynaklanıyor. Bu, daha önce sahada gösterilenden yaklaşık 400 kat daha uzundur ve bu nedenle pratik cihazlara doğru çok önemli bir adımdır.

Jiang, Xue ve diğerleri tarafından geliştirilen anılar. İtriyum ortosilikata dayalı (Y₂İyileştirme₅) Nadir toprak elementi erbiyumun iyonlarıyla doymuş kristaller. Bu iyonlar, yaklaşık 1,5 mikrometre dalga boyuna karşılık gelen, mevcut fiber ağlarda kullanım için neredeyse ideal olan optik özelliklere sahiptir. Erbiyum iyonlarının kuantum depolamaya uygunluğu birkaç yıldır bilinmektedir ve bunların bir kristal içine gömülmüş olmaları, geniş kapsamlı uygulamalarının ışığında onları özellikle çekici kılmaktadır. Bununla birlikte, erbiyum iyonu bazlı kuantum hafızalarının pratik uygulamalarının şu ana kadar nispeten etkisiz olduğu kanıtlandı ve kuantum tekrarlayıcılara doğru daha fazla ilerlemeyi engelledi.

Ma’nın grubu artık teknikleri mükemmelleştirme konusunda önemli ilerleme kaydetti ve bir fotonun 1.936 nanosaniye boyunca saklanmasından sonra bile foton çiftinin dolaşıklığının korunduğunu gösterdi. Bu, bir kuantum tekrarlayıcıda gerektiği gibi kuantum durumunun bu süre zarfında manipüle edilebileceği anlamına gelir. Ayrıca araştırmacılar kuantum hafızalarını entegre bir çip üzerindeki yeni bir dolaşmış foton kaynağıyla birleştirdiler. Düşük maliyetli seri üretime uygun bir katı hal platformunda iletişim frekanslarında yüksek kaliteli dolaşmış fotonlar üretme ve dolaşmış durumu saklama konusundaki bu kanıtlanmış yetenek heyecan vericidir çünkü mevcut öğelerle entegre edilebilecek umut verici bir yapı taşı oluşturur. Geniş alanlı fiber ağlar – böylece geleceğin kuantum internetini mümkün kılıyor.

referans

yumurta sarısı. Jiang, W. Xue, Q. O, Y.-Y. An, X. Cheng, W.-J. Xu, Y.-B. Xie, Y. Lu, S. Zhou ve X.-S. Anne. Dolaşmış fotonların bir kristalde iletişim dalga boylarında kuantum depolanması. Nature Communications 14, 6995 (2023).