محققان به ذخیره کوانتومی فوتون های درهم تنیده در طول موج های مخابراتی در یک کریستال دست یافته‌اند.

فناوری های کوانتومی در حال حاضر با سرعتی خیره کننده در حال پیشرفت هستند. این فناوری‌ها با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی در سیستم‌های مهندسی شده، با چشم‌اندازهای روشنی مانند بهبود محاسباتی یا امنیت ارتباطات مواجه است و انتظار می‌رود  بسیار فراتر از دستگاه‌های مبتنی بر فناوری‌های «کلاسیک» امروزی کار کند. 

با این حال برای تحقق پتانسیل کامل آنها، دستگاه های کوانتومی باید مانند شبکه به یکدیگر متصل شوند. در اصل، این کار را می توان با استفاده از شبکه های فیبر نوری به کار گرفته شده برای مخابرات کلاسیک انجام داد. اما اجرای عملی آن، مستلزم آن است که اطلاعات رمزگذاری شده در سیستم های کوانتومی را بتوان به طور قابل اعتماد در فرکانس های مورد استفاده در شبکه های مخابراتی ذخیره کرد؛ قابلیتی که هنوز عملیاتی نشده است.

گروه پروفسور Xiao-Song Ma در دانشگاه نانجینگ در مجله Nature Communications، ذخیره‌سازی کوانتومی طولانی مدت در طول موج‌های مخابراتی را بر روی پلتفرمی که می‌تواند در شبکه‌های گسترده مستقر شود، گزارش می‌کند که راه را برای شبکه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ هموار می‌کند.

شبکه اینترنت از فیبرهای نوری بافته شده است. الیاف شیشه‌ای بسیار خالصی این شبکه را تشکیل می‌دهند. یک مثال رایج برای درک خلوص این شیشه ها این است که شما می توانید پشت پنجره ای به ضخامت یک کیلومتر که از چنین شیشه ای ساخته شده است را به وضوح ببینید. با این وجود، برخی از تلفات اجتناب ناپذیر هستند و سیگنال‌های نوری که از طریق شبکه‌های مخابراتی حرکت می‌کنند، باید در فاصله های چند صد کیلومتری به طور منظم «بازسازی» شوند.
برای سیگنال‌های کلاسیک، تکنیک‌هایی مرسوم هستند و به خوبی کار می‌کنند که می‌توان به repeated signal amplification اشاره کرد. با این حال، برای حالت‌های کوانتومی نور، متأسفانه این رویکردها مناسب نیستند. 

چرا " نور کوانتومی " متفاوت است؟

 یک عنصر کلیدی که فناوری‌های کوانتومی را بسیار قدرتمند می‌کند، درهم تنیدگی کوانتومی است، حالتی که در آن دو یا چند کوانتومِ نور (یا همان فوتون‌ها) همبستگی‌های قوی‌تری نسبت به نور کلاسیک پیدا می‌کنند. در بازسازی سیگنال نوری معمولی، سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود سپس تقویت شده و مجددا به پالس نوری تبدیل می‌شوند. 
با این حال، فوتون های درهم تنیده در چنین فرآیندی همبستگی های کوانتومی خود را از دست می دهند. همین مشکل در سایر روش های مرسوم نیز وجود دارد.

راه حل این است که از تکرار کننده های به اصطلاح کوانتومی استفاده کنید. به طور خلاصه، تکرار کننده های کوانتومی حالت درهم تنیده را ذخیره می کنند و آن را به حالت کوانتومی دیگری تبدیل می کنند که درهم تنیدگی را با گره بعدی در خط پایینی به اشتراک می گذارد. به عبارت دیگر، به جای تقویت سیگنال، گره ها به هم متصل می شوند و از ویژگی های کوانتومی منحصر به فرد خود استفاده می کنند. در قلب چنین شبکه‌های تکرارکننده کوانتومی، حافظه‌های کوانتومی قرار دارند که حالت‌های کوانتومی نور را می‌توان در آن ذخیره کرد.تحقق این حافظه ها با زمان ذخیره سازی به اندازه کافی طولانی، یک چالش برجسته است، به ویژه برای فوتون های در طول موج های مخابراتی (یعنی حدود 1.5 میکرومتر).

 مینگ-هائو جیانگ، ونی ژو و همکارانش در گروه "شیائو سونگ ما"، اکنون ذخیره و بازیابی حالت درهم تنیده دو فوتون مخابراتی با زمان ذخیره سازی نزدیک به دو میکروثانیه را گزارش می دهند. این تقریباً 400 برابر بیشتر است از آنچه قبلاً در این زمینه نشان داده شده بود و بنابراین گامی تعیین کننده به سمت دستگاه های عملی است.

حافظه‌ی ساخته شده توسط جیانگ بر پایه کریستال های ارتوسیلیکات ایتریوم (Y2SiO5) دوپ شده با یون های عنصر خاکی کمیاب اربیوم هستند. این یون‌ها دارای خواص نوری مطابق با طول موج حدود 1.5 میکرومتر هستند که در شبکه های فیبر نوری موجود استفاده می‌شوند.

مناسب بودن یون‌های اربیوم برای ذخیره‌سازی کوانتومی چند سالی است که شناخته شده است، و این واقعیت که آنها در یک کریستال دوپ شده‌اند، آنها را به ویژه برای کاربردهای در مقیاس بزرگ جذاب می‌کند. با این حال، اجرای عملی حافظه‌های کوانتومی مبتنی بر یون اربیوم تاکنون نسبتاً ناکارآمد بوده و مانع از پیشرفت بیشتر به سمت تکرارکننده‌های کوانتومی شده است.

این گروه در حال حاضر پیشرفت های قابل توجهی در تکمیل تکنیک ها داشته است و نشان داده است که حتی پس از ذخیره فوتون به مدت 1936 نانوثانیه، درهم تنیدگی جفت فوتون حفظ می شود. علاوه بر این، محققان حافظه کوانتومی خود را با منبع جدیدی از فوتون های درهم تنیده روی یک تراشه یکپارچه ترکیب کردند.

این توانایی نشان‌داده‌شده، برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده با کیفیت بالا و در فرکانس‌های مخابراتی، ذخیره‌سازی حالت درهم‌تنیده، به صورت یکپارچه بر روی یک پلت‌فرم حالت جامد، و برای تولید انبوه و کم‌هزینه هیجان‌انگیز است؛ زیرا می‌تواند شبکه‌های فیبری در مقیاس بزرگ و در نتیجه اینترنت کوانتومی آینده را ممکن ‌سازد.

منبع

Ming-Hao Jiang et al, Quantum storage of entangled photons at telecom wavelengths in a crystal, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42741-1