دانشمندان یک شبکه کوانتومی فضای آزاد مبتنی بر درهم تنیدگی ایجاد کرده اند که جایگزینی عملی و کارآمد برای کاربردهای شهری، که زیرساخت های فیبری ممکن است به آسانی در دسترس نباشد، فراهم می کند. به رهبری آندری کرژیچ، این تیم یک سیستم توزیع کلید کوانتومی فضای آزاد قابل استقرار (QKD) را معرفی کرد و استفاده از آن را در سناریوهای واقعی نشان داد. معماری شبکه متکی به یک سرور درهم تنیدگی متمرکز است که فوتون های درهم تنیده را به کاربران ارسال می کند. این شبکه ناهمگن از پیوندها و اتصالات متنوعی تشکیل شده است که توزیع اطلاعات کوانتومی بین چندین طرف را تسهیل می کند.
محققان با استفاده از یک کانتینر موقت در بالای یک ساختمان خدمات عمومی، واقع در 1.7 کیلومتری، با موفقیت یک پیوند کوانتومی بین دو مکان در ینا، آلمان ایجاد کردند. آنها به نرخ کلید ایمنی (secure key rate) دست یافتند که به 5.7 کیلوبیت در ثانیه (kbps) می رسید، حتی در شرایط چالش برانگیز نور روز، جایی که سیستم تنها ظرفیت 2.5 کیلوبیت در ثانیه نرخ کلید ایمن را نشان داد. با برون یابی داده های تجربی، تیم نشان داد که دستیابی به نرخ های کلیدی کیلوبیت بر ثانیه حتی برای سناریوهای چند کاربره و مسافت های تا 10 کیلومتر امکان پذیر است.
علاوه بر این، دانشمندان قابلیت استقرار سیستم را در یک setup چند دفتری در بن، آلمان نشان دادند و یک پیوند توزیع کلید کوانتومی فضای آزاد بین دو دفتر که 300 متر از هم فاصله داشتند، ایجاد کردند. این سیستم نرخ های کلیدی مشابهی را در طول عملیات روزانه و شبانه به نمایش گذاشت.
شبکه کوانتومی فضای آزاد مبتنی بر درهم تنیدگی چندین مزیت را برای کاربردهای شهری ارائه می دهد. این یک راه حل عملی برای ارتباط ایمن در اجلاس ها، کنفرانس ها و سایر رویدادهایی که ممکن است اتصالات فیبری انتها به انتها در دسترس نباشد، ارائه می دهد. معماری شبکه می تواند به طور یکپارچه با زیرساخت های موجود ادغام شود و به عنوان یک بلوک سازنده مکمل برای اینترنت کوانتومی جهانی آینده عمل کند.
کار این تیم علاوه بر اینکه بر توزیع کلید کوانتومی متمرکز بود، پتانسیل درهم تنیدگی با ابعاد بالا را برای افزایش ظرفیت اطلاعات در هر فوتون، بهبود امنیت و افزایش استحکام نویزی را نیز بررسی کرد. توزیع درهم تنیدگی برای کاربردهای مختلف فراتر از توزیع کلید کوانتومی، مانند همگام سازی ساعت کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی، حیاتی است.
این یافته ها راه را برای استقرار شبکه های فضای آزاد به عنوان راه حلی مناسب برای ارتباطات کوانتومی در مقیاس شهری هموار می کند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که قابلیت استقرار شبکه، عملکرد کارآمد تحت شرایط مختلف و نرخ‌های کلیدی قابل دستیابی به تحقق یک اینترنت کوانتومی کامل کمک می‌کند و ارتباطات کوانتومی ایمن و کارآمد را در مقیاس جهانی ممکن می‌سازد. پیشرفت‌های بیشتر در این زمینه می‌تواند به ظرفیت اطلاعاتی بالاتر و افزایش امنیت در برنامه‌های شبکه کوانتومی منجر شود.
منبع
More information: Andrej Kržič et al, Towards metropolitan free-space quantum networks, npj Quantum Information (2023). DOI: 10.1038/s41534-023-00754-0
