بیست و پنج سال پیش، فیزیکدانان نظری در دانشگاه اینسبروک و دانشگاه کاستیل-لا مانچا به طور مشترک پایه و اساس انتقال اطلاعات کوانتومی بر فواصل طولانی را از طریق تکرارکننده های کوانتومی ایجاد کردند که آغازگر یک شبکه اطلاعات کوانتومی جهانی بالقوه بود. اخیرا در یک تحول پیشگامانه، نسل جدیدی از محققان اینسبروک یک گره تکرارکننده کوانتومی را طراحی کرده اند که برای طول موج استاندارد شبکه های مخابراتی طراحی شده است. دستاورد آنها شامل انتقال موفقیت آمیز اطلاعات کوانتومی در فواصل ده ها کیلومتر است.
شبکه‌های کوانتومی، با اتصال پردازنده‌های کوانتومی یا حسگرها، امکان پیاده سازی ارتباط امن و همچنین شبکه‌های حسگر توزیع شده با کارایی بالا را تسهیل می‌کنند. مبادله اطلاعات کوانتومی بین گره‌های شبکه بر عهده فوتون‌هایی است که در امواج نوری حرکت می‌کنند. با این حال، در فواصل طولانی، احتمال از دست دادن فوتون به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. به دلیل خواص ذاتی اطلاعات کوانتومی، که در برابر کپی‌برداری و تقویت معمولی مقاومت می‌کنند، یک ربع قرن پیش، چهره‌هایی مانند هانس بریگل، ولفگانگ دور، ایگناسیو سیراک و پیتر زولر، که در آن زمان با دانشگاه اینسبروک و دانشگاه کاستیل-لا مانچا مرتبط بودند، پیشگامان مفهوم تکرارکننده کوانتومی بودند.
تکرارکننده‌های کوانتومی یک نوآوری حیاتی در زمینه ارتباطات کوانتومی بلندبرد هستند که چالش بنیادی ناهمدوسی کوانتومی را که محدوده‌ی موثر انتقال اطلاعات کوانتومی را محدود می‌کند، برطرف می‌کنند. در ارتباطات کوانتومی، ماهیت ظریف حالات کوانتومی آنها را در معرض ناپایداری قرار می‌دهد، جایی که یکپارچگی اطلاعات کوانتومی هنگام عبور از کانال ارتباطی کاهش می‌یابد. برای غلبه بر این مانع، تکرارکننده‌های کوانتومی به طور استراتژیک کانال ارتباطی را به بخش‌های کوچکتر و قابل مدیریت تقسیم می‌کنند. در مرزهای این بخش‌ها، گره‌هایی به نام ایستگاه‌های تکرارکننده وارد عمل می‌شوند. این ایستگاه‌ها به عنوان نقاط رله اطلاعات کوانتومی عمل می‌کنند و تبادل ذرات درهم‌تنیده میان بخش‌های مجاور را از طریق فرآیند مبادله‌ی درهم‌تنیدگی تسهیل می‌کنند.
فیزیکدانان کوانتومی در دپارتمان فیزیک تجربی دانشگاه اینسبروک، تحت رهبری بن لانیون اکنون با موفقیت اجزای اصلی یک تکرارکننده کوانتومی را ساخته اند - یک گره شبکه کاملاً عملیاتی. این گره با استفاده از دو سیستم تک ماده، امکان ایجاد درهم تنیدگی با فوتون در فرکانس استاندارد شبکه های مخابراتی را فراهم می کند و عملیات مبادله‌ی درهم تنیدگی را اجرا می کند.
گره تکرارکننده شامل دو یون کلسیم محصور شده درون یک تله یونی در داخل یک تشدیدگر نوری و همچنین سیستم تبدیل تک فوتون به طول موج مخابراتی است. این تیم تحقیقاتی، با قرار دادن تکرارکننده کوانتومی به صورت استراتژیک در نیمه راه بین نقاط شروع و پایان، انتقال اطلاعات کوانتومی را از طریق یک فیبر نوری به طول 50 کیلومتر به نمایش گذاشته‌اند . علاوه بر این، محققان محاسباتی را برای تعیین پیشرفت‌های لازم برای گسترش انتقال در فاصله چشمگیر 800 کیلومتر با هدف اتصال اینسبروک به وین نیز انجام دادند. این خود مژده‌بخش مسیری امیدوارکننده برای تحقق شبکه‌های توزیع شده شامل حسگرهای درهم تنیده، ساعت‌های اتمی و پردازنده‌های کوانتومی ارائه می‌کند.
توجه به این نکته ضروری است که گره تکرارکننده کوانتومی ارائه شده، که بر اساس یون‌های به دام افتاده است، قابلیت‌های چندوجهی را نشان می‌دهد و به عنوان (1) رابط بین رجیسترهای کیوبیت ثابت و فوتون‌های مخابراتی، (2) حافظه‌های کوانتومی با زمان‌های ذخیره فراتر از زمان تولید درهم تنیدگی از راه دور و (3) پردازش اطلاعات کوانتومی قطعی عمل می‌کند. این سیستم نوین در توزیع درهم تنیدگی با کمک تکرارکننده در یک کانال 50 کیلومتری و امکان گسترش انتقال در فاصله چشمگیر 800 کیلومتر نقش بسزایی داشته است.
منبع
V. Krutyanskiy et al, Telecom-Wavelength Quantum Repeater Node Based on a Trapped-Ion Processor, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.213601
