Newswise – جهان در انتظار فناوری کوانتومی است. محاسبات کوانتومی انتظار می رود مشکلات پیچیده ای را که رایانه های فعلی یا کلاسیک نمی توانند حل کنند. و شبکه کوانتومی برای تحقق پتانسیل کامل آن ضروری است محاسبات کوانتومیامکان پیشرفت در درک ما از طبیعت و همچنین کاربردهایی که زندگی روزمره را بهبود می بخشد.
اما تحقق آن مستلزم توسعه کامپیوترهای کوانتومی دقیق و قابل اعتماد است شبکه های کوانتومی که از فناوری محاسباتی فعلی و زیرساخت های موجود استفاده می کنند.
اخیراً به عنوان نوعی اثبات پتانسیل و اولین گام به سمت عملکرد شبکه های کوانتومیتیمی از محققان با شبکه کوانتومی Illinois-Express (IEQNET) با موفقیت یک شبکه کوانتومی دوربرد را بین دو آزمایشگاه وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) با استفاده از فیبرهای نوری محلی مستقر کردند.
این آزمایش اولین بار بود که فوتون‌های کدگذاری شده کوانتومی – ذره‌ای که اطلاعات کوانتومی از طریق آن تحویل داده می‌شود – و سیگنال‌های کلاسیک به طور همزمان در فاصله‌ای در مقیاس شهر با سطح بی‌سابقه‌ای از همگام‌سازی تحویل داده شدند.
همکاری IEQNET شامل شتاب دهنده ملی فرمی DOE و آزمایشگاه های ملی آرگون، دانشگاه نورث وسترن و کلتک است. موفقیت آنها تا حدی به دلیل این واقعیت است که اعضای آن گستره معماری های محاسباتی، از کلاسیک و کوانتومی تا ترکیبی را در بر می گیرند.
بیایید دو آزمایشگاه ملی داشته باشیم که 50 کیلومتر از هم کار کنند شبکه های کوانتومی Panagiotis Spentsouris، رئیس برنامه علوم کوانتومی در Fermilab و محقق ارشد این پروژه، گفت: با این طیف مشترک از توانایی‌ها و تخصص‌های فنی، این یک چیز بی‌اهمیت نیست. برای حمله به این مشکل بسیار دشوار و پیچیده، به یک تیم متنوع نیاز دارید.»
و برای این تیم، ثابت شد که همگام سازی جانوری برای رام کردن است. آنها با هم نشان دادند که امکان وجود سیگنال های کوانتومی و کلاسیک در یک فیبر شبکه و رسیدن به همگام سازی، هم در فواصل در مقیاس شهر و هم در تنظیمات دنیای واقعی وجود دارد.
محققان خاطرنشان می کنند که شبکه های محاسباتی کلاسیک به اندازه کافی پیچیده هستند. معرفی چالشی که یک شبکه کوانتومی در ترکیب است، بازی را به طور قابل توجهی تغییر می دهد.
هنگامی که کامپیوترهای کلاسیک نیاز به انجام عملیات و عملکردهای همگام سازی دارند، مانند مواردی که برای امنیت و سرعت بخشیدن به محاسبات لازم است، بر چیزی به نام پروتکل زمان شبکه تکیه می کنند. این پروتکل یک سیگنال ساعت را در همان شبکه ای که اطلاعات را حمل می کند، با دقتی یک میلیون بار سریعتر از یک چشم به هم زدن منتشر می کند.
با محاسبات کوانتومی، دقت مورد نیاز حتی بیشتر است. به پروتکل کلاسیک زمان شبکه به عنوان یک دونده المپیک فکر کنید. ساعت برای محاسبات کوانتومی فلش، ابرقهرمان فوق سریع از کمیک ها و فیلم ها است.
محققان برای اطمینان از دریافت جفت فوتون‌هایی که در هم تنیده شده‌اند – توانایی تأثیرگذاری بر یکدیگر از راه دور – باید فوتون‌های کدگذاری شده کوانتومی را در تعداد زیاد تولید کنند.
دانستن اینکه کدام جفت ها در هم پیچیده هستند، همان جایی است که همزمانی وارد می شود. این تیم از سیگنال های زمانی مشابه برای همگام سازی ساعت ها در هر مقصد یا گره در شبکه Fermilab-Argonne استفاده می کند.
الکترونیک دقیق برای تنظیم این سیگنال زمان بندی بر اساس عوامل شناخته شده مانند فاصله و سرعت – در این مورد، اینکه فوتون ها همیشه با سرعت نور حرکت می کنند – و همچنین اختلالات ایجاد شده توسط محیط، مانند تغییرات دما یا ارتعاشات، استفاده می شود. در فیبرهای نوری
از آنجایی که آنها فقط دو رشته فیبر بین دو آزمایشگاه داشتند، محققان مجبور شدند ساعت را روی همان فیبری بفرستند که فوتون های درهم تنیده را حمل می کرد. راه جدا کردن ساعت از سیگنال کوانتومی استفاده از طول موج های مختلف است، اما این چالش خاص خود را دارد.
Rajkumar Kettimuthu، دانشمند کامپیوتر Argonne و عضو تیم پروژه، می گوید: «انتخاب طول موج های مناسب برای سیگنال های هماهنگ سازی کوانتومی و کلاسیک برای به حداقل رساندن تداخلی که بر اطلاعات کوانتومی تأثیر می گذارد، بسیار مهم است. یک قیاس ممکن است این باشد که فیبر یک جاده است و طول موج ها نوار هستند. فوتون یک دوچرخه سوار و ساعت یک کامیون است. اگر مراقب نباشیم، کامیون می تواند از خط دوچرخه عبور کند. بنابراین ما تعداد زیادی آزمایش انجام دادیم تا مطمئن شویم که کامیون در مسیر خود باقی می ماند.»
در نهایت این دو به درستی تخصیص و کنترل شدند و سیگنال هماهنگ‌کننده و فوتون‌ها از منابع Fermilab منتشر شدند. با رسیدن فوتون‌ها به هر مکان، اندازه‌گیری‌ها با استفاده از آشکارسازهای تک فوتون نانوسیمی ابررسانا Argonne انجام و ثبت شد.
راجو والیوارتی، محقق Caltech و عضو تیم IEQNET، گفت: «ما با استفاده از فناوری در دسترس که بر سیگنال‌های فرکانس رادیویی کدگذاری شده بر روی نور تکیه دارد، سطوح رکوردی از همگام‌سازی را نشان داده‌ایم. ما این سیستم را در Caltech ساختیم و آزمایش کردیم، و آزمایش‌های IEQNET آمادگی و قابلیت‌های آن را در یک شبکه فیبر نوری واقعی که دو آزمایشگاه بزرگ ملی را به هم متصل می‌کند، نشان می‌دهد.»
شبکه به قدری دقیق هماهنگ شده بود که در هر مکان تنها پنج پیکوثانیه اختلاف زمانی را در ساعت ها ثبت می کرد. یک پیکوثانیه یک تریلیونم ثانیه است.
چنین دقتی به دانشمندان این امکان را می دهد که جفت فوتون های درهم تنیده را برای پشتیبانی از عملیات شبکه کوانتومی در فواصل دنیای واقعی به طور دقیق شناسایی و دستکاری کنند. با تکیه بر این دستاورد، تیم IEQNET در حال آماده شدن برای انجام آزمایش هایی برای نشان دادن تبادل درهم تنیدگی است. این فرآیند اجازه می دهد تا بین فوتون های جفت درهم تنیده مختلف درهم تنیده شود، بنابراین کانال های ارتباطی کوانتومی طولانی تری ایجاد می کند.
اسپنتزوریس گفت: «این اولین نمایش در دنیای واقعی از استفاده از فیبر نوری واقعی برای دستیابی به این نوع دقت همگام‌سازی برتر و توانایی همزیستی با اطلاعات کوانتومی است. “این عملکرد رکورد یک گام اساسی برای ساختن یک چند گره عملی است شبکه های کوانتومی“
این پروژه از طریق بخش علوم، برنامه تحقیقاتی محاسبات علمی پیشرفته تامین شد.
آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی، آزمایشگاه ملی پیشرو در آمریکا برای تحقیقات فیزیک ذرات است. آزمایشگاه علمی وزارت انرژی ایالات متحده، Fermilab، در نزدیکی شیکاگو، ایلینویز واقع شده است و تحت قراردادی توسط Fermi Research Alliance LLC اداره می شود. از وب سایت Fermilab در https://www.fnal.gov و ما را در توییتر دنبال کنید @Fermilab.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.
