توسعه فیبرهای نوری برای انتقال داده های کوانتومی

فناوری های کوانتومی نوید ارائه قدرت محاسباتی بی‌نظیر را می‌دهند و به ما این امکان را می‌دهند که مشکلات منطقی پیچیده را حل کنیم، داروهای جدید توسعه دهیم و تکنیک‌های رمزنگاری شده برای ارتباطات امن ارائه کنیم. با این حال، شبکه‌های کابلی که امروزه برای انتقال اطلاعات در سراسر جهان استفاده می‌شوند، به دلیل هسته‌های جامد فیبرهای نوری، احتمالاً برای ارتباطات کوانتومی کمتر از حد مطلوب هستند.

بر خلاف فیبرهای نوری معمولی، فیبرهای تخصصی ساخته شده  دارای یک هسته ریز ساختاری که از الگوی پیچیده ای از حفره های هوا در تمام طول فیبر تشکیل شده است.  

فیبرهای نوری معمولی که در شبکه‌های مخابراتی ما امروزی هستند، نور را در طول موج‌هایی که به طور کامل توسط تلفات شیشه سیلیسی کنترل می‌شود، منتقل می‌کنند. با این حال، این طول موج ها با طول موج های عملیاتی منابع تک فوتون، کیوبیت ها و اجزای نوری فعال که برای فناوری های کوانتومی مبتنی بر نور مورد نیاز هستند، سازگار نیستند.

دکتر روسیمووا و همکارانش در یک مقاله آکادمیک منتشر شده در Applied Physics Letters Quantum، الیاف پیشرفته ساخته شده در Bath را همراه با سایر پیشرفت های اخیر و آینده در زمینه نوظهور محاسبات کوانتومی توصیف می کنند.

درهم تنیدگی کوانتومی

نور یک رسانه امیدوارکننده برای محاسبات کوانتومی است. ذرات منفرد نور که فوتون نامیده می شوند دارای برخی ویژگی های کوانتومی منحصر به فرد هستند که می توانند توسط فناوری های کوانتومی مهار شوند.

یکی از این مثال‌ها درهم تنیدگی کوانتومی است، که در آن دو فوتون که با فاصله زیادی از هم جدا شده‌اند، نه تنها اطلاعاتی درباره یکدیگر نگه می‌دارند، بلکه می‌توانند فوراً بر خصوصیات یکدیگر تأثیر بگذارند.

برخلاف بیت‌های دوتایی رایانه‌های کلاسیک (یک یا صفر)، جفت فوتون‌های درهم‌تنیده می‌توانند همزمان به صورت یک و صفر وجود داشته باشند و مقادیر عظیمی از توان محاسباتی را آزاد کنند.

دکتر کامرون مک گاری، تا همین اواخر فیزیکدان در Bath و اولین نویسنده مقاله، گفت: «اینترنت کوانتومی یک عنصر ضروری در تحقق وعده‌های گسترده چنین فناوری کوانتومی در حال ظهور است.

مانند اینترنت موجود، یک اینترنت کوانتومی برای ارائه اطلاعات از گره به گره دیگر به فیبرهای نوری متکی است. این فیبرهای نوری احتمالاً با آنهایی که در حال حاضر استفاده می شوند بسیار متفاوت هستند و برای مفید بودن به فناوری پشتیبانی متفاوتی نیاز دارند.

در دیدگاه خود، محققان چالش‌های مرتبط با اینترنت کوانتومی را از دیدگاه فناوری فیبر نوری مورد بحث قرار می‌دهند و مجموعه‌ای از راه‌حل‌های بالقوه را برای مقیاس‌پذیری یک شبکه کوانتومی قوی و در مقیاس وسیع ارائه می‌کنند.

این هم فیبرهایی را در بر می گیرد که برای ارتباطات دوربرد مورد استفاده قرار می گیرند و هم فیبرهای ویژه ای که امکان تکرار کننده های کوانتومی را فراهم می کند که مستقیماً در شبکه ادغام می شوند تا فاصله ای که این فناوری می تواند در آن کار کند را گسترش دهد.

فراتر از اتصال گره ها

آنها همچنین توضیح می‌دهند که چگونه فیبرهای نوری تخصصی می‌توانند فراتر از اتصال گره‌های یک شبکه به پیاده‌سازی محاسبات کوانتومی در خود گره‌ها با عمل به عنوان منابع تک فوتون‌های درهم‌تنیده، مبدل‌های طول موج کوانتومی، سوئیچ‌های کم تلفات، یا مخازن حافظه‌های کوانتومی عمل کنند.

دکتر مک گاری گفت: «برخلاف فیبرهای نوری که به طور استاندارد برای ارتباطات از راه دور استفاده می‌شوند، فیبرهای تخصصی که به طور معمول در Bath ساخته می‌شوند، هسته‌ای با ساختار میکرو دارند که شامل الگوی پیچیده‌ای از حفره‌های هوا است که در تمام طول فیبر قرار دارند.

الگوی این حفره‌های هوا چیزی است که به محققان اجازه می‌دهد تا خواص نور درون فیبر را دستکاری کنند و جفت‌های درهم تنیده فوتون ایجاد کنند، رنگ فوتون‌ها را تغییر دهند یا حتی اتم‌های منفرد را در داخل الیاف به دام بیندازند.

دکتر کریان هرینگتون که یک محقق فوق دکترا در دپارتمان فیزیک است، گفت: «محققان در سراسر جهان پیشرفت‌های سریع و هیجان‌انگیزی در قابلیت‌های فیبرهای نوری ریزساختار به روش‌هایی دارند که مورد علاقه صنعت هستند.

دیدگاه ما پیشرفت‌های هیجان‌انگیز این الیاف جدید و اینکه چگونه می‌توانند برای فناوری‌های کوانتومی آینده مفید باشند را توصیف می‌کند.

دکتر الکس دیویس، عضو EPSRC Quantum Career Acceleration در Bath، اضافه کرد: «این توانایی الیاف در محدود کردن نور و انتقال آن در فواصل طولانی است که آنها را مفید می کند.

علاوه بر تولید فوتون‌های درهم‌تنیده، این به ما امکان می‌دهد حالت‌های کوانتومی عجیب‌تری از نور را با برنامه‌های کاربردی در محاسبات کوانتومی، سنجش دقیق و رمزگذاری پیام تسخیرناپذیر تولید کنیم.

مزیت کوانتومی – توانایی یک دستگاه کوانتومی برای انجام کارها با کارآمدتر از یک کامپیوتر معمولی – هنوز به طور قطعی نشان داده نشده است. چالش‌های تکنولوژیکی شناسایی‌شده در این چشم‌انداز احتمالاً راه‌های جدیدی را برای تحقیقات کوانتومی باز می‌کند و ما را به دستیابی به این نقطه عطف مهم نزدیک‌تر می‌کند. انتظار می رود فیبرهای نوری ساخته شده در Bath به ایجاد پایه های کامپیوترهای کوانتومی آینده کمک کنند.

اطلاعات بیشتر :منبع مقاله