(מזהה 332107426 © Iurii Pozdnikov | Dreamstime.com)
שיקגו -תמונה שמנסה להציף בועת סבון דרך סופת חול מבלי לפוצץ אותה. זה בערך שווה ערך למה שהשיגו חוקרי אוניברסיטת נורת'ווסטרן בעולם התקשורת הקוונטית; אלא שבמקום בועת סבון, הם מגנים על חלקיקי אור בודדים הנושאים מידע קוונטי דרך שטף של תעבורת אינטרנט קונבנציונלית.
במשך שנים, מומחים האמינו שתקשורת קוונטית תדרוש מערכת כבישים מהירים פרטיים משלה, נפרדת מהכבישים המהירים ההומים של תעבורת אינטרנט קלאסית. כעת, מדענים הוכיחו שהמומחים הללו טועים, והוכיחו שאותות קוונטיים וקלאסיים יכולים לחלוק את אותם כבישי סיבים אופטיים מבלי להתנגש זה בזה, תגלית שעלולה להאיץ באופן דרמטי את התפתחותן של רשתות קוונטיות.
"אף אחד לא חשב שזה אפשרי"
הישג זה מייצג אבן דרך מכרעת בביצועמעשי וחסכוני - ומאתגר הנחות ארוכות לגבי תשתית רשת קוונטית. לפני פריצת הדרך הזו, מומחים רבים האמינו שדו-קיום זה בלתי אפשרי - שאותות קוונטיים יוצפו על ידי תעבורת אינטרנט קונבנציונלית.
"זה מרגש להפליא כי אף אחד לא חשב שזה אפשרי", אומר פרם קומאר, שהוביל את המחקר בבית הספר להנדסה ב-Nortwestern ב-McCormick, בהצהרה. "העבודה שלנו מראה נתיב לקראת הדור הבא של רשתות קוונטיות וקלאסיות החולקות תשתית סיבים אופטית מאוחדת. בעיקרון, זה פותח את הדלת לדחיפת תקשורת קוונטית."
תחשוב על זה כמו לנסות לשמוע לחישה בזמן שהופעת רוק מתנגנת באותו חדר. אותות קוונטיים הם עדינים להפליא - רק יחיד(פוטון) נושא מידע - בעוד שאותות אינטרנט קלאסיים דומים באופן יחסי לפיצוץ מוזיקה בווליום מלא. או כפי שמסביר קומאר: "בעוד שאותות קונבנציונליים לתקשורת קלאסית כוללים בדרך כלל מיליוני חלקיקי אור, מידע קוונטי משתמש בפוטונים בודדים."
הצוות של קומאר במרכז לתקשורת פוטונית ומחשוב מצא פתרון גאוני: הם זיהו "נתיב" פחות עמוס של גלי אור והתקינו מסננים מיוחדים כדי להגן על האותות הקוונטיים מפני הרעש של תעבורת אינטרנט רגילה.
"למדנו בקפידה כיצד האור מתפזר והצבנו את הפוטונים שלנו בנקודה שיפוטית שבה מנגנון הפיזור הזה ממוזער", אומר קומאר. "מצאנו שאנחנו יכולים לבצע תקשורת קוונטית ללא הפרעות מהערוצים הקלאסיים שנמצאים בו זמנית."
פריצת דרך של טלפורטציה קוונטית
צוות המחקר הוכיח, תהליך בסיסי לרשתות קוונטיות, על פני כבל סיב אופטי של 30.2 ק"מ (כ-19 מייל) תוך העברת נתוני אינטרנט קונבנציונליים בקצב של 400 גיגה-ביט לשנייה. טלפורטציה קוונטית פועלת על ידי רתימת הסתבכות קוונטית, שבה שני חלקיקים מקושרים ללא קשר למרחק ביניהם. במקום שחלקיקים נוסעים פיזית כדי לספק מידע, חלקיקים סבוכים מחליפים מידע למרחקים גדולים - מבלי לשאת אותו פיזית.
ההתקנה כללה שלושה שחקנים עיקריים: אליס (השולחת), בוב (המקבל), וצ'רלי (המתווך). אליס הכינה מצבים קוונטיים מיוחדים שהיא רצתה להעביר לבוב. בינתיים, בוב יצר זוגות של, שומר אחד ושולח את השני לצ'רלי. כאשר צ'ארלי ביצע מדידה מיוחדת שכללה גם את הפוטון של אליס וגם את הפוטון הסבוך של בוב, זה גרם לפוטון הנותר של בוב לקבל באופן מיידי את המאפיינים של מצבה המקורי של אליס, ומכאן המונח "טלפורטציה".
הצוות השיג תוצאות מרשימות, תוך שמירה על טלפורטציה קוונטית באיכות גבוהה גם עם אותות קלאסיים חזקים פי 150 בערך מהנדרש לתקשורת 400-Gbps ללא שגיאות. זה מצביע על כך שרשתות קוונטיות וקלאסיות עשויות לחלוק את אותו הדבר, מצמצם באופן דרמטי את המורכבות של בניית רשתות קוונטיות.
דו קיום בתקשורת
המחקר, שפורסם בכתב העתאוֹפּטִי, עשוי להיות משמעותי לעתיד של רשת קוונטית. על פי מאמר המחקר, יישומים פוטנציאליים כוללים קריפטוגרפיה משופרת קוונטית, יכולות חישה ומחשוב קוונטי ברשת. תשתית רשת קוונטית שיכולה להתקיים יחד עם תעבורת אינטרנט קלאסית יכולה להפוך את היישומים הללו לאפשריים יותר ליישום באמצעות תשתית סיבים אופטיים קיימת. עם זאת, עדיין יהיה צורך במחקר ופיתוח ניכר כדי לממש את האפשרויות הללו.
"אנשים רבים הניחו מזמן שאף אחד לא יבנה תשתית מיוחדת כדי לשלוח חלקיקי אור", מציין קומאר. "אם נבחר נכון את אורכי הגל, לא נצטרך לבנות תשתית חדשה. תקשורת קלאסית ויכולים להתקיים במקביל."
הצוות לא עוצר כאן. הצעדים הבאים שלהם כוללים הרחבת הניסויים למרחקים ארוכים יותר וניסיון להדגים החלפת הסתבכות באמצעות שני זוגות של פוטונים מסתבכים במקום אחד. הם גם מתכננים לעבור מעבר לתנאי מעבדה כדי לבדוק את הגישה שלהם בכבלים אופטיים תת-קרקעיים בעולם האמיתי.
למרות שהמחקר הזה מייצג צעד משמעותי קדימה, אנחנו עדיין רחוקים שנים משלב מלא. עם זאת, בדיוק כפי שהאינטרנט הקלאסי התפתח מחיבורים פשוטים בין כמה מחשבים לרשת הגלובלית שיש לנו היום, הרשת הקוונטית הולכת בדרך דומה. ההדגמה הזו של דו-קיום קוונטי-קלאסי עשויה להיזכר כאחד מרגעי המפתח שעזרו להפוך את האינטרנט הקוונטי למציאות.
סיכום נייר
מֵתוֹדוֹלוֹגִיָה
החוקרים בנו מערכת אופטית מתוחכמת תוך שימוש בציוד מיוחד הכולל כבלי סיבים אופטיים, מקורות לייזר וגלאי פוטון רגישים במיוחד. להתקנה היו שלוש תחנות עיקריות (אליס, בוב וצ'רלי) המחוברות באמצעות כבל סיבים אופטיים. הם השתמשו בטכניקה שנקראת ריבוי חלוקת אורך גל כדי להפריד בין אותות קוונטיים וקלאסיים, בדומה לאופן שבו תחנות רדיו שונות יכולות לשדר בתדרים שונים מבלי להפריע זו לזו. האותות הקוונטיים נוצרו באמצעות גבישים מיוחדים היוצרים זוגות של פוטונים סבוכים, בעוד האותות הקלאסיים נוצרו באמצעות ציוד טלקומוניקציה סטנדרטי.
תוצאות
הצוות הדגים בהצלחה טלפורטציה קוונטית על סיב של 30.2 ק"מ תוך שידור של נתונים קלאסיים של 400Gbps בו זמנית. הם השיגו נאמנות מצב קוונטי (מדד למידת השמירה של המידע הקוונטי) של כ-90%, הרבה מעל הגבול הקלאסי של 67%. המערכת עבדה אפילו עם אותות קלאסיים חזקים פי 150 מהנדרש לפעולות רגילות, מה שמרמז על מרווח ראש משמעותי ליישומים מעשיים.
מגבלות
המערכת עדיין דורשת ציוד רגיש ויקר במיוחד, כולל גלאים מוליכי-על שיש לקרר אותם לטמפרטורות נמוכות מאוד. גם קצבי הנתונים הקוונטיים נמוכים יחסית לתקשורת הקלאסית. המרחק בו פועלת המערכת (30.2 ק"מ) עדיין קצר יחסית לרשתות סיבים אופטיים קלאסיים שיכולים להשתרע על פני אלפי קילומטרים.
דיון וטייק אווי
מחקר זה מוכיח שרשתות קוונטיות ורשתות קלאסיות יכולות להתקיים במקביל באותה תשתית סיבים, מה שעשוי להפוך את הרשתות הקוונטיות להרבה יותר פרקטיות לפריסה. ניתן ליישם את הטכניקות שפותחו על יישומי רשת קוונטיים אחרים מעבר לטלפורטציה. העבודה מציעה שבניית אינטרנט קוונטי עשויה להיות אפשרית באמצעות תשתית סיבים אופטיים קיימת במקום לדרוש רשת חדשה לגמרי.
מימון וגילויים
העבודה מומנה על ידי משרד האנרגיה האמריקני באמצעות חוזה משנה של Fermi Research Alliance, LLC לאוניברסיטת Northwestern. המחקר נתמך על ידי התוכנית Advanced Scientific Computing Research Transparent Optical Quantum Networks for Distributed Science של ה-DOE. המחברים הצהירו שאין ניגוד עניינים, ונתונים מהמחקר זמינים לפי בקשה סבירה.
StudyFinds יוצאת למצוא מחקר חדש שמדבר לקהל המוני - בלי כל הז'רגון המדעי. הסיפורים שאנו מפרסמים הם גרסאות מחקר מסוככות לעיכול שנועדו ליידע את הקורא וגם לעורר ויכוח אזרחי ומשכיל. מאמרי צוות StudyFinds נעזרים בבינה מלאכותית, אך תמיד נבדקים ונערכים ביסודיות על ידי איש צוות של Study Finds. קרא את מדיניות הבינה המלאכותית שלנו למידע נוסף.
