کشف روش جدیدی برای ارتباطات کوانتومی با ظرفیت بالا و ایمن

خلاصه خبر:

دانشمندان روشی پیشرو برای انتقال اطلاعات کوانتومی با استفاده از qudit ها، ابداع کرده اند. برخلاف کیوبیت‌های سنتی که اطلاعات را در دو حالت (0 و 1) رمزگذاری می‌کنند، qudit‌ها می‌توانند داده‌ها را در ابعاد بالاتر حمل کنند و ارتباطات کارآمدتری را ممکن می‌سازند. این تکنیک جدید از حالت فضایی و پلاریزاسیون برای ایجاد qudit های چهار بعدی بر روی یک تراشه خاص استفاده میکند که امکان دستکاری دقیق را فراهم میکند. qudit های به دست آمده سرعت انتقال داده های سریع تر و مقاومت در برابر خطای بیشتری را ارائه می دهند که آنها را برای برنامه های کاربردی مسافت طولانی مانند ارتباطات کوانتومی مبتنی بر ماهواره ایده آل می کند. این پیشرفت میتواند به اینترنت کوانتومی پرسرعت، رمزگذاری نشکن و کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند منجر شود و زمینه ارتباطات و محاسبات کوانتومی را متحول کند.

توضیحات تکمیلی:

دانشمندان در ایجاد روشی جدید برای انتقال اطلاعات کوانتومی با استفاده از ذرات نوری به نام qudit به پیشرفت قابل توجهی دست یافته اند. این qudit ها نوید یک اینترنت کوانتومی در آینده را می دهند که هم امن و هم قدرتمند است. به طور سنتی، اطلاعات کوانتومی بر روی کیوبیت ها رمزگذاری می شوند که می توانند در حالت 0، 1 یا هر دو به طور همزمان وجود داشته باشند (برهم‌نهی). این ویژگی کیفیت آنها را برای محاسبات پیچیده ایده آل می کند اما مقدار داده ای را که می توانند در ارتباطات حمل کنند محدود می کند. برعکس، qudits می‌تواند اطلاعات را در ابعاد بالاتر رمزگذاری کند و داده‌های بیشتری را در یک حرکت انتقال دهد.

این تکنیک جدید از دو ویژگی نور - حالت فضایی و قطبش - برای ایجاد qudit های چهار بعدی استفاده می کند. این qudit ها بر روی یک تراشه خاص ساخته شده اند که امکان دستکاری دقیق را فراهم می کند. این دستکاری در مقایسه با روش‌های مرسوم به سرعت انتقال داده‌ها و افزایش مقاومت در برابر خطاها منجر می‌شود. یکی از مزایای کلیدی این روش، توانایی qudits برای حفظ خواص کوانتومی خود در فواصل طولانی است. این باعث می شود که آنها برای کاربردهایی مانند ارتباطات کوانتومی مبتنی بر ماهواره، که در آن داده ها باید مسافت های زیادی را بدون از دست دادن یکپارچگی خود طی کنند، عالی هستند.

این فرآیند با ایجاد یک حالت درهم تنیده خاص با استفاده از دو فوتون شروع می شود. درهم تنیدگی پدیده‌ای است که در آن دو ذره به هم متصل می‌شوند و صرف نظر از اینکه به طور فیزیکی از هم جدا هستند یا نه، سرنوشت یکسانی دارند. در این حالت، یک فوتون (فوتن سیگنال) روی تراشه دستکاری می شود تا با استفاده از حالت فضایی و قطبش آن یک qudit  چهار بعدی ایجاد کند. فوتون دیگر (فوتون بیکار) بدون تغییر باقی می ماند و به عنوان یک کنترل از راه دور برای فوتون سیگنال عمل می کند. با دستکاری فوتون بیکار، دانشمندان می توانند وضعیت فوتون سیگنال را کنترل کرده و اطلاعات را روی آن رمزگذاری کنند.

این روش جدید پتانسیل ایجاد انقلابی در زمینه ارتباطات کوانتومی را دارد. این دستاورد راه را برای یک اینترنت کوانتومی پرسرعت هموار می کند که می تواند حجم عظیمی از داده را به طور ایمن در فواصل طولانی منتقل کند. علاوه بر این، می‌تواند منجر به توسعه پروتکل‌های رمزنگاری ناگسستنی شود و به ایجاد رایانه‌های کوانتومی قدرتمندی کمک کند که قادر به حل مشکلات فراتر از دسترس رایانه‌های کلاسیک هستند. محققان در حال حاضر بر بهبود دقت qudits و افزایش مقیاس فناوری برای رسیدن به ابعاد حتی بالاتر تمرکز دارند.

این شامل بررسی هم افزایی از دو درجه آزادی نور برای تولید، رمزگذاری و دستکاری qudit ها با فیدلیتی کوانتومی بالا است. با استفاده از درهم تنیدگی دو فوتون، آنها قصد دارند حالت‌های خوشه ای به نام  versatile spin-orbit cluster states را در فضای هیلبرت با ابعادی گسترده ارائه دهند، که می‌تواند استحکام کانال را در ارتباطات کوانتومی دوربرد تقویت کند.

منبع

Haoqi Zhao et al, Integrated preparation and manipulation of high-dimensional flying structured photons, eLight (2024). DOI: 10.1186/s43593-024-00066-6