הסתבכות קוונטית שוברת שיאים: זיכרונות קוונטיים במרחק 420 ק"מ

המחקר, שהתפרסם ב-Physical Review Letters כהמלצת עורכים (Editors' Suggestion) והועלה תחילה ל-arXiv , מהווה צעד משמעותי לקראת הפיכת רשתות קוונטיות מפרויקטים עירוניים לכאלה המחברות בין ערים שונות.

איך הניסוי עבד

המערכת כללה שני צמתי זיכרון קוונטי, המכונים אליס (Alice) ובוב (Bob), עם צומת מדידה מרכזי (צ'רלי, Charlie) באמצע . כל זיכרון היה ענן של אטומי רובידיום-87 מקוררים ומכודים בלייזרים. כדי ליצור הסתבכות, הצוות השתמש בפרוטוקול מוכר הנקרא DLCZ (על שם ממציאיו) . בשיטה זו, כל זיכרון פולט באופן הסתברותי פוטון בודד. זיהוי אותו פוטון בצומת המרכזי מאותת ששני הזיכרונות הפכו מסובכים.

הצוות נדרש להתגבר על שלושה מכשולים מרכזיים כדי להגיע ל-420 ק"מ:

המרת אורך גל. זיכרונות הרובידיום פולטים פוטונים באופן טבעי באורך גל של כ-780 ננומטר (תת-אדום קרוב), שנבלעים במהירות לאורך סיבים ארוכים. הצוות המיר כל פוטון לפס התקשורת (Telecom band, כ-1550 ננומטר) – אותו אורך גל המשמש בתקשורת סיבים רגילה – כך שהאות יוכל לעבור מאות קילומטרים מבלי להיבלע .

ייצוב אקטיבי. לאורך 420 ק"מ של סיב, שינויי טמפרטורה, רעידות והשפעות מכניות אחרות עלולות להרוס את יחסי המופע (Phase) הדרושים להפרעה של פוטון בודד. הצוות פרס מערכת ייצוב שקיזזה באופן רציף את התנודות הללו, תוך שמירה על קוהרנטיות לאורך כל המסלול .

הפרעת פוטון בודד. המדידה המרכזית היוצרת הסתבכות מתרחשת בצומת המרכזי, שם פוטונים מאליס ובוב מפריעים זה בזה. השגת הפרעה יציבה עם פוטונים בודדים לאורך מרחק כה גדול הייתה אתגר טכני משמעותי שהצוות פתר בהצלחה .

פריצת גבול PLOB

אולי הממצא המשמעותי ביותר הוא שהניסוי עלה על גבול PLOB – הקצב התיאורטי המרבי להפצת הסתבכות בערוץ מאבד (Lossy channel) ללא ממסרים קוונטיים (Quantum repeaters) . הסתברות ההסתבכות בין הזיכרונות שנמדדה עלתה על גבול זה במרחקים מעל כ-230 ק"מ, והיתרון הלך וגדל ככל שאורך הסיב גדל, עד ל-420 ק"מ . כפי שדווח, זו ההדגמה הראשונה המבוססת על זיכרון החוצה את התקרה היסודית הזו .

הצוות גם הדגים שהשיטה המבוססת על זיכרון עולה על הפצת הסתבכות ישירה דרך סיב במרחקים הגדולים מכ-320 ק"מ . הסיבה לכך היא שהשיטה המבוססת על זיכרון מושפעת מהשורש הריבועי של תעבורת הערוץ (Transmittance), בעוד שתמסורת ישירה מושפעת ליניארית מהערוץ – הבדל בסיסי המקנה לזיכרונות יתרון במרחקים ארוכים .

למה זה חשוב לאינטרנט הקוונטי

מעבר מקנה מידה עירוני לבין-עירוני. שיאי העבר להסתבכות חומר-חומר בסיב היו בטווח של 50–100 ק"מ, המכסה אזור עירוני טיפוסי . ב-420 ק"מ, הניסוי חוצה למרחקים המחברים ערים. כפי שהכותבים מציינים, "הניסוי שלנו מספק פלטפורמת ניסוי לחקר יישומים של רשתות קוונטיות מעבר לקנה המידה של עיר בודדת" .

אימות לרשתות קוונטיות מבוססות זיכרון. התוצאה מוכיחה שזיכרונות קוונטיים יכולים לאחסן ו"לבשר" על הסתבכות לאורכי סיב מעשיים תוך עקיפת מגבלת ה-repeaterless . זהו תנאי הכרחי לבניית ממסרים קוונטיים ניתנים להרחבה (Scalable quantum repeaters) ובסופו של דבר, אינטרנט קוונטי מלא .

תאימות לתשתיות תקשורת קיימות. הרכיבים המרכזיים – המרת אורך גל לפס התקשורת, ייצוב סיב אקטיבי וזיכרונות אטומים קרים – תואמים כולם לציוד סיבים אופטיים סטנדרטי . הדבר מצביע על מסלול שדרוג מציאותי מרשתות הפצת מפתח קוונטי (QKD) של ימינו לאינטרנט קוונטי עתידי עם הפצת הסתבכות למרחקים ארוכים המבוססת על זיכרונות.

הסתייגויות עיקריות

למרות שההישג הטכני הוא אמיתי, חשוב לציין שמדובר בהוכחת היתכנות במעבדה. הניסוי השתמש בסיב מלופף (Spooled fiber) בסביבה מבוקרת, לא בקישור פרוס בשטח . הסיב כלל קטע שטח קצר שרץ מהמעבדה האוניברסיטאית לצומת מדידה בפארק התוכנה Hefei, אך רוב המרחק היה על סלילים . פריסה בעולם האמיתי תדרוש פתרון אתגרים הנדסיים נוספים, כולל יציבות של סיבים פרוסים בשטח, אינטגרציה עם חומרת ניתוב ומיתוג, והרחבה למספר צמתים מחוברים .