Kuantum Dolaşıklık Rekoru Kırıldı: Çinli Fizikçiler 420 km Fiber Optik Üzerinden Kuantum Bellekleri Dolaştırdı

Physical Review Letters'da Editör Önerisi olarak yayımlanan ve ilk olarak arXiv'de yayınlanan bu deney, kuantum ağlarını metropol ölçeğinden gerçek şehirler arası bağlantılara taşıma yolunda somut bir adım olarak değerlendiriliyor.

Deney Nasıl Çalıştı?

Sistem, Alice ve Bob lakaplı iki kuantum hafıza düğümü ve bunların arasında yer alan merkezi bir ölçüm düğümünden (Charlie) oluşuyordu . Her hafıza düğümü, lazerlerle soğutulup hapsedilen bir rubidyum-87 atom bulutuydu. Dolaşıklık oluşturmak için ekip, Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) şeması olarak bilinen iyi bilinen bir protokolü kullandı . Bu yaklaşımda, her hafıza olasılıksal olarak tek bir foton yayar. Bu fotonun merkezi düğümde algılanması, iki hafızanın dolaşık hale geldiğinin sinyalini verir.

Ekip, 420 km'ye ulaşmak için üç büyük engeli aşmak zorunda kaldı:

Dalga boyu dönüşümü: Rubidyum hafızalar doğal olarak yaklaşık 780 nm'de (kızılötesine yakın) fotonlar yayar. Bunlar uzun fiber hatlarda hızla emilir. Ekip, her fotonu telekomünikasyon bandına (yaklaşık 1550 nm) dönüştürdü; bu, standart fiber optik iletişimde kullanılan dalga boyu olduğu için sinyalin yüzlerce kilometre yol almasını sağladı .

Aktif stabilizasyon: 420 km'lik fiber boyunca sıcaklık değişimleri, titreşimler ve diğer mekanik etkiler, tek foton girişimi için gereken faz ilişkisini bozabilir. Ekip, bu dalgalanmaları sürekli olarak telafi eden bir stabilizasyon sistemi kurarak tüm hat boyunca tutarlılığı korudu .

Tek foton girişimi: Dolaşıklığı yaratan temel ölçüm, Alice ve Bob'dan gelen fotonların girişime uğradığı merkezi düğümde gerçekleşir. Bu kadar uzun bir mesafe boyunca tek fotonlarla kararlı girişim elde etmek, ekibin başarıyla çözdüğü büyük bir teknik zorluktu .

PLOB Sınırını Aşmak

Belki de en önemli bulgu, deneyin PLOB sınırını aşmış olmasıdır. PLOB sınırı, kuantum tekrarlayıcılar olmadan kayıplı bir kanal üzerinden dolaşıklığın dağıtılabileceği teorik maksimum hızdır . Ölçülen hafıza-hafıza dolaşıklık olasılığı, yaklaşık 230 km'nin ötesindeki mesafelerde bu sınırı aştı ve avantaj, fiber uzunluğu 420 km'ye çıktıkça artmaya devam etti . Bir raporun belirttiği gibi, bu, temel tavanı aşan ilk hafıza tabanlı gösterimdir .

Ekip ayrıca, hafıza destekli yöntemlerinin, yaklaşık 320 km'nin ötesinde doğrudan fiber tabanlı dolaşıklık dağıtımından daha iyi performans gösterdiğini kanıtladı . Bunun nedeni, hafıza tabanlı yaklaşımın kanal geçirgenliğinin kareköküyle ölçeklenirken, doğrudan iletimin geçirgenlikle doğrusal olarak ölçeklenmesidir; bu temel fark, uzun mesafelerde hafızalara avantaj sağlar .

Kuantum İnternet İçin Neden Önemli?

Ölçeği metropolden şehirler arasına taşıyor: Fiber tabanlı madde-madde dolaşıklık rekorları daha önce 50-100 km aralığındaydı (tipik bir metropol alanı) . 420 km ile deney, şehirleri birbirine bağlayan mesafelere ulaşıyor. Yazarların dediği gibi, "Deneyimiz, tek bir şehir ölçeğinin ötesindeki kuantum ağ uygulamalarını incelemek için bir test ortamı sağlıyor" .

Hafıza destekli kuantum ağlarını doğruluyor: Sonuç, kuantum hafızalarının, tekrarlayıcısız sınırı aşarken pratik fiber uzunlukları üzerinde dolaşıklığı depolayabildiğini ve müjdeleyebildiğini kanıtlıyor . Bu, ölçeklenebilir kuantum tekrarlayıcılar ve nihayetinde tam bir kuantum internet oluşturmak için gerekli bir ön koşuldur .

Mevcut telekomünikasyon altyapısıyla uyumlu: Temel bileşenler (telekomünikasyon bandında dalga boyu dönüşümü, aktif fiber stabilizasyonu ve soğuk atom hafızaları) standart fiber optik ekipmanlarla uyumludur . Bu, günümüzün kuantum anahtar dağıtım (QKD) ağlarından, hafıza destekli uzun mesafe dolaşıklık dağıtımına sahip bir kuantum internetine gerçekçi bir yükseltme yolu olduğunu gösteriyor.

Önemli Uyarılar

Teknik başarı gerçek olmakla birlikte, bunun bir laboratuvar gösterimi olduğunu belirtmek önemlidir. Deneyde, sahada döşenmiş bir hat değil, kontrollü bir ortamda makaraya sarılmış fiber kullanılmıştır . Fiber, üniversite laboratuvarından Hefei Yazılım Parkı'ndaki bir ölçüm düğümüne uzanan kısa bir saha bölümü içeriyordu ancak mesafenin büyük kısmı makaralar üzerindeydi . Gerçek dünya uygulaması, sahada döşenmiş fiberin kararlılığı, anahtarlama ve yönlendirme donanımıyla entegrasyon ve birden çok birbirine bağlı düğüme ölçeklendirme dahil olmak üzere ek mühendislik zorluklarının çözülmesini gerektirecektir .