Επιτυχής μετάδοση δεδομένων μέσω 62 χιλιομέτρων συμβατικών οπτικών ινών

Σύνοψη

• Ερευνητές του αμερικανικού ινστιτούτου NIST πέτυχαν τη διατήρηση της κβαντικής διεμπλοκής φωτονίων σε απόσταση 62 χιλιομέτρων μέσω συμβατικών οπτικών ινών.
• Το δίκτυο στηρίχθηκε σε εξωτερικά εναέρια καλώδια τα οποία ήταν διαρκώς εκτεθειμένα σε περιβαλλοντικό θόρυβο, έντονες κυμάνσεις θερμοκρασίας και οδικές δονήσεις.
• Οι επιστήμονες εφάρμοσαν ένα καινοτόμο σύστημα λέιζερ για τη διόρθωση της πόλωσης σε πραγματικό χρόνο, εξασφαλίζοντας σταθερό ποσοστό απρόσκοπτης κβαντικής μετάδοσης της τάξης του 92,8%.
• Το συγκεκριμένο επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία απαραβίαστων τηλεπικοινωνιακών υποδομών και τη διασύνδεση απομακρυσμένων κβαντικών υπολογιστών αξιοποιώντας την ήδη υπάρχουσα αρχιτεκτονική του διαδικτύου.

Η ανάπτυξη κβαντικών δικτύων ευρείας κλίμακας προϋποθέτει την ικανότητα μετάδοσης ευαίσθητων κβαντικών καταστάσεων εκτός των αυστηρά ελεγχόμενων εργαστηριακών περιβαλλόντων. Οι ερευνητές του National Institute of Standards and Technology (NIST), σε συνεργασία με το Joint Quantum Institute (JQI) και την εταιρεία Qunnect, κλήθηκαν να αντιμετωπίσουν τις αναπόφευκτες φυσικές παραμορφώσεις που υφίστανται τα πεπλεγμένα φωτόνια όταν ταξιδεύουν μέσα από εναέρια καλώδια οπτικών ινών τα οποία ενώνουν τις εγκαταστάσεις του Gaithersburg με το Πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park. 

Σε αντίθεση με τις συμβατικές τηλεπικοινωνίες που βασίζονται στην ένταση του φωτός και παραμένουν ανεπηρέαστες από μικρές δονήσεις, τα κβαντικά δίκτυα κωδικοποιούν την πληροφορία στην πόλωση του φωτονίου, καθιστώντας τα εξαιρετικά ευάλωτα στον αέρα, τις μεταβολές της θερμοκρασίας και τους κραδασμούς από τη διερχόμενη κυκλοφορία.

Για να παρακάμψουν τους περιορισμούς που επιβάλλει ο περιβαλλοντικός θόρυβος, οι μηχανικοί σχεδίασαν έναν μηχανισμό συνεχούς διόρθωσης που βασίζεται στην αποστολή μιας συμβατικής ακτίνας λέιζερ ως σημείο αναφοράς παράλληλα με τα πεπλεγμένα φωτόνια. Μετρώντας τον βαθμό αλλοίωσης που υφίσταται το λέιζερ κατά τη διαδρομή του, το σύστημα υπολογίζει τις αντίστροφες μαθηματικές μεταβολές και τις εφαρμόζει άμεσα στα φωτόνια μέσω εξειδικευμένου λογισμικού, προστατεύοντας έτσι τον κβαντικό τους δεσμό. Αυτή η διαδικασία σταθεροποίησης αποτελεί κρίσιμο βήμα προς την υλοποίηση πρακτικών υποδομών, καθώς αποδεικνύει ότι δεν απαιτείται η κατασκευή νέων, πανάκριβων υπόγειων δικτύων οπτικών ινών αποκλειστικά για κβαντική χρήση, αλλά αρκεί η έξυπνη διαχείριση της υφιστάμενης εμπορικής υποδομής.

Η μετάδοση κβαντικής διεμπλοκής πραγματοποιείται μέσω κοινών οπτικών ινών απόστασης 62 χιλιομέτρων, όπου τα φωτόνια διατηρούν την κατάσταση τους παρά τις συνεχείς περιβαλλοντικές παρεμβολές. Το σύστημα χρησιμοποιεί ένα βοηθητικό σήμα λέιζερ για να υπολογίζει και να διορθώνει τις παραμορφώσεις πόλωσης, επιτρέποντας τη σταθερή ανταλλαγή κβαντικής πληροφορίας με ρυθμό έως και 1.500 πεπλεγμένων φωτονίων ανά δευτερόλεπτο, με τη διαδικασία διόρθωσης να καταλαμβάνει μόλις το 7,2% του συνολικού χρόνου λειτουργίας.

Ποιες είναι οι πρακτικές εφαρμογές του κβαντικού Internet;

Το κβαντικό Internet προσφέρει απόλυτα ασφαλείς τηλεπικοινωνίες μέσω της φυσικής ιδιότητας της κβαντικής διεμπλοκής, όπου κάθε απόπειρα υποκλοπής καταστρέφει άμεσα την κοινή κατάσταση των σωματιδίων αποκαλύπτοντας τον εισβολέα. Επιπλέον, επιτρέπει τη συνδυαστική λειτουργία απομακρυσμένων τηλεσκοπίων για τη δημιουργία υπερ-υψηλής ανάλυσης εικόνων και τη διασύνδεση κβαντικών υπολογιστών που θα επιλύουν εξαιρετικά πολύπλοκους αλγόριθμους για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων ή καινοτόμων υλικών.

Η δυνατότητα των πεπλεγμένων αντικειμένων να διατηρούν μια ενοποιημένη κβαντική κατάσταση, την οποία ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε χαρακτηρίσει ως «στοιχειωμένη δράση από απόσταση», επιτρέπει τη δημιουργία συστημάτων όπου η μέτρηση του ενός σωματιδίου καθορίζει ακαριαία την κατάσταση του άλλου, ανεξάρτητα από τη φυσική απόσταση που τα χωρίζει. Αυτός ο μηχανισμός εξασφαλίζει την κρυπτογραφική υπεροχή των μελλοντικών δικτύων, καθώς οποιαδήποτε παρεμβολή από τρίτους ακυρώνει την ίδια τη φύση της πληροφορίας πριν αυτή προλάβει να αναγνωστεί. Παράλληλα, η γεωγραφική κατανομή κβαντικών αισθητήρων που συνδέονται μέσω του συγκεκριμένου δικτύου θα μπορούσε να αυξήσει δραματικά την ακρίβεια των μετρήσεων σε τομείς όπως η σεισμολογία, όπου δίκτυα αισθητήρων θα «ακούνε» μικροσκοπικές γεωλογικές διαταραχές προειδοποιώντας με τεράστια ακρίβεια για επερχόμενους σεισμούς ή ηφαιστειακές εκρήξεις.

Η μετάβαση από το εργαστηριακό περιβάλλον στις εμπορικές υποδομές προσφέρει τεράστιες οικονομικές διευκολύνσεις για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα. Αν και η τρέχουσα ταχύτητα μετάδοσης των 200 έως 1.500 πεπλεγμένων φωτονίων ανά δευτερόλεπτο θεωρείται ικανοποιητική για ερευνητικούς σκοπούς, η δημιουργία ενός πλήρους λειτουργικού κβαντικού διαδικτύου θα απαιτήσει πολύ ισχυρότερο εξοπλισμό και ταχύτερους αλγόριθμους επεξεργασίας για την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Το πείραμα των ερευνητών του NIST επιβεβαιώνει με τον πιο εμφατικό τρόπο ότι η ενεργή σταθεροποίηση του σήματος καθιστά ικανή τη διεξαγωγή εξαιρετικά πολύπλοκων διεργασιών ακόμα και στις πιο εχθρικές περιβαλλοντικές συνθήκες, γεγονός που δημιουργεί τεράστιες προσδοκίες για τα επόμενα βήματα.