חיבור מכריע הושלם: הנחת הבסיס לאינטרנט הקוונטי

חוקרים ייצרו, אחסנו ושלפו מידע קוונטי בפעם הראשונה, שלב קריטי ברישות קוונטי.

היכולת לשתף מידע קוונטי חיונית לפיתוח רשתות קוונטיות למחשוב מבוזר ותקשורת מאובטחת. מחשוב קוונטי יהיה שימושי לפתרון כמה סוגים חשובים של בעיות, כמו אופטימיזציה של סיכונים פיננסיים, פענוח נתונים, תכנון מולקולות וחקר תכונות החומרים.

עם זאת, התפתחות זו מתעכבת מכיוון שמידע קוונטי עלול ללכת לאיבוד כאשר הוא מועבר למרחקים ארוכים. אחת הדרכים להתגבר על המחסום הזה היא לחלק את הרשת למקטעים קטנים יותר ולקשר את כולם למצב קוונטי משותף.

לשם כך נדרש אמצעי לאחסן את המידע הקוונטי ולשלוף אותו שוב: כלומר, התקן זיכרון קוונטי. זה חייב 'לדבר' עם מכשיר אחר שמאפשר יצירת מידע קוונטי מלכתחילה.

לראשונה, חוקרים יצרו מערכת כזו המממשקת את שני מרכיבי המפתח הללו, ומשתמשת בסיבים אופטיים רגילים כדי להעביר את הנתונים הקוונטיים.

ההישג הושג על ידי חוקרים ב אימפריאל קולג' לונדוןאוניברסיטת סאות'המפטון ואוניברסיטאות שטוטגרט ווירצבורג בגרמניה, עם התוצאות שפורסמו ב התקדמות המדע.

הסופרת הראשונה, ד"ר שרה תומאס, מהמחלקה לפיזיקה באימפריאל קולג' בלונדון, אמרה: "התממשקות של שני התקני מפתח יחד היא צעד מכריע קדימה לאפשר רשת קוונטית, ואנחנו באמת נרגשים להיות הצוות הראשון שהיה מסוגל להדגים זאת".

הסופר הראשון, לוקאס וגנר, מאוניברסיטת שטוטגרט, הוסיף: "לאפשר חיבור למיקומים למרחקים ארוכים, ואפילו למחשבים קוונטיים, היא משימה קריטית עבור רשתות קוונטיות עתידיות."

תקשורת למרחקים ארוכים

בתקשורת רגילה – כמו אינטרנט או קווי טלפון – מידע יכול ללכת לאיבוד למרחקים גדולים. כדי להילחם בכך, מערכות אלו משתמשות ב'חוזרים' בנקודות קבועות, שקוראות ומגבירות מחדש את האות, ומבטיחות שהוא יגיע ליעדו ללא פגע.

עם זאת, לא ניתן להשתמש במחזרים קלאסיים עם מידע קוונטי, שכן כל ניסיון לקרוא ולהעתיק את המידע יהרוס אותו. זהו יתרון במובן אחד, שכן לא ניתן 'להקיש' על קשרים קוונטיים מבלי להרוס את המידע ולהתריע בפני המשתמשים. אבל זה אתגר שיש להתמודד איתו עבור רשתות קוונטיות למרחקים ארוכים.

אחת הדרכים להתגבר על בעיה זו היא לשתף מידע קוונטי בצורה של חלקיקי אור סבוכים, או פוטונים. פוטונים סבוכים חולקים מאפיינים בצורה כזו שאי אפשר להבין אחד בלי השני. כדי לשתף הסתבכות למרחקים ארוכים על פני רשת קוונטית אתה צריך שני מכשירים: אחד ליצירת הפוטונים המסובכים, ואחד לאחסן אותם ולאפשר אחזורם מאוחר יותר.

ישנם מספר מכשירים המשמשים ליצירת מידע קוונטי בצורה של פוטונים מסתבכים ולאחסנו, אך גם יצירת הפוטונים הללו לפי דרישה וגם בעלי זיכרון קוונטי תואם שבו לאחסן אותם חמקו מהחוקרים במשך זמן רב.

לפוטונים יש אורכי גל מסוימים (שבאור הנראה יוצרים צבעים שונים), אבל התקנים ליצירתם ואחסוןם מכוונים לרוב לעבוד עם אורכי גל שונים, ומונעים מהם להתממש.

כדי להפוך את ההתקנים לממשק, הצוות יצר מערכת שבה שני המכשירים השתמשו באותו אורך גל. 'נקודה קוונטית' יצרה פוטונים (לא הסתבכו), שהועברו לאחר מכן למערכת זיכרון קוונטית שאחסנה את הפוטונים בתוך ענן של אטומי רובידיום. לייזר הפעיל ו'כבה' את הזיכרון, ואיפשר לאחסן ולשחרר את הפוטונים לפי דרישה.

לא רק שאורך הגל של שני המכשירים הללו תואם, אלא שהוא נמצא באותו אורך גל כמו רשתות הטלקומוניקציה המשמשות כיום – מה שמאפשר לשדר אותו באמצעות כבלים סיבים אופטיים רגילים המוכרים בחיבורי אינטרנט יומיומיים.

שיתוף פעולה אירופי

מקור האור הנקודות הקוונטי נוצר על ידי חוקרים מאוניברסיטת שטוטגרט בתמיכה מאוניברסיטת וירצבורג, ולאחר מכן הובא לבריטניה כדי להתממשק עם התקן הזיכרון הקוונטי שנוצר על ידי צוות אימפריאל וסאות'המפטון. המערכת הורכבה במעבדת מרתף באימפריאל קולג' בלונדון.

אמנם נוצרו נקודות קוונטיות עצמאיות וזיכרונות קוונטיים יעילים יותר מהמערכת החדשה, אבל זו ההוכחה הראשונה שניתן לגרום למכשירים להתממשק, ובאורכי גל טלקומוניקציה.

הצוות יבדוק כעת לשפר את המערכת, כולל לוודא שכל הפוטונים מיוצרים באותו אורך גל, שיפור משך הזמן שניתן לאחסן את הפוטונים והקטנת המערכת כולה.

עם זאת, כהוכחה לקונספט, זהו צעד חשוב קדימה, אומר מחבר שותף ד"ר פטריק לדינגהם מאוניברסיטת סאות'המפטון: "חברי הקהילה הקוונטית מנסים באופן פעיל את הקשר הזה כבר זמן מה. זה כולל אותנו, לאחר שניסינו את הניסוי הזה פעמיים בעבר עם התקני זיכרון שונים ונקודות קוונטיות, חוזרים יותר מחמש שנים אחורה, מה שרק מראה כמה קשה לעשות זאת.

"פריצת הדרך הפעם הייתה כינוס מומחים כדי לפתח ולהפעיל כל חלק של הניסוי עם ציוד מומחה ולעבוד יחד כדי לסנכרן את המכשירים."

המחקר הוא חלק מהפרויקט במימון האיחוד האירופי 'Qurope: Quantum Repeaters using On-Demand Photonic Entanglement'.