اینترنت کوانتومی یک گام به واقعیت نزدیک‌تر شد!

گروهی از مهندسان موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) موفق شدند دو گره کوانتومی را که شامل چندین کیوبیت هستند، به یکدیگر متصل کنند.

به گزارش ساینس دیلی، این دستاورد با استفاده از یک روش نوین به نام چندگانه‌سازی درهم‌تنیدگی (Entanglement Multiplexing) محقق شد که به طرز قابل توجهی نرخ انتقال داده‌های کوانتومی را افزایش می‌دهد. این پیشرفت زمینه‌ساز توسعه شبکه‌های گسترده کوانتومی خواهد بود.

نخستین نمایش چندگانه‌سازی درهم‌تنیدگی

این پژوهش که نتایج آن در ۲۶ فوریه ۲۰۲۵ در مجله نیچر منتشر شده است، برای اولین بار نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از چندین کانال برای انتقال هم‌زمان اطلاعات کوانتومی استفاده کرد. این روش از اتم‌های ایتربیوم (Yb³⁺) تعبیه‌شده در کریستال‌های خاص و حفره‌های نوری بهره می‌برد. حفره‌های نوری ساختار‌های کوچکی هستند که نور را به دام انداخته و هدایت می‌کنند و امکان ارسال موازی فوتون‌های حامل اطلاعات کوانتومی را از چندین کیوبیت فراهم می‌سازند.

آندری فارائون، استاد فیزیک کاربردی و مهندسی برق در کلتک، در این رابطه می‌گوید: "این نخستین نمایش از چندگانه‌سازی درهم‌تنیدگی در یک شبکه کوانتومی متشکل از کیوبیت‌های چرخشی منفرد است. این روش به شکل چشمگیری نرخ ارتباطات کوانتومی بین گره‌ها را افزایش می‌دهد و یک جهش مهم در این حوزه محسوب می‌شود."

اینترنت آینده: شبکه‌های کوانتومی

همان‌طور که اینترنت امروزی رایانه‌های کلاسیک را به یکدیگر متصل می‌کند، شبکه‌های کوانتومی آینده نیز رایانه‌های کوانتومی را که در مکان‌های مختلف قرار دارند، به هم پیوند خواهند داد.

یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتومی که در ارتباطات کوانتومی نقش اساسی دارد، درهم‌تنیدگی کوانتومی است. در این پدیده، دو یا چند ذره (مانند اتم‌ها یا فوتون‌ها) به گونه‌ای به هم مرتبط می‌شوند که تغییر وضعیت یکی از آنها، وضعیت دیگری را نیز بدون در نظر گرفتن فاصله فیزیکی تغییر می‌دهد.

رفع موانع در ارتباطات کوانتومی

در سیستم جدید، دو گره کوانتومی از ساختار‌های نانومقیاس ساخته‌شده از کریستال ایتریوم اورتونیوبات (YVO₄) تشکیل شده‌اند. در این ساختارها، لیزر‌ها اتم‌های ایتربیوم را تحریک کرده و باعث انتشار فوتون‌هایی می‌شوند که همچنان با اتم‌های خود درهم‌تنیده باقی می‌مانند. فوتون‌های تولیدشده از دو گره مختلف به یک مکان مرکزی ارسال شده و در آنجا آشکارسازی می‌شوند. این فرآیند یک پروتکل پردازش کوانتومی را فعال می‌کند که در نهایت منجر به ایجاد حالات درهم‌تنیده بین جفت‌های اتم ایتربیوم می‌شود.

آندری روسکوک، یکی از نویسندگان مقاله و پژوهشگر فوق‌دکتری در دانشگاه هاروارد، درباره این فناوری می‌گوید: "چندگانه‌سازی درهم‌تنیدگی، گلوگاه اصلی ارتباطات کوانتومی را رفع می‌کند. این روش با استفاده از چندین کیوبیت در هر گره، امکان آماده‌سازی و ارسال هم‌زمان فوتون‌ها را فراهم کرده و نرخ درهم‌تنیدگی را متناسب با تعداد کیوبیت‌ها افزایش می‌دهد."

کنترل کوانتومی در زمان واقعی

یکی از چالش‌های اساسی این روش، تفاوت‌های جزئی در فرکانس‌های نوری اتم‌های ایتربیوم درون کریستال YVO₄ است. این تفاوت‌ها، که ناشی از نواقص کریستالی هستند، در ابتدا به‌عنوان یک مانع در ایجاد حالات درهم‌تنیده در نظر گرفته می‌شدند. اما پژوهشگران کلتک توانستند با توسعه پروتکل جدیدی، از این تفاوت‌ها به نفع خود استفاده کنند.

این پروتکل از کنترل بازخوردی کوانتومی (Quantum Feed-Forward Control) بهره می‌برد. در این روش، زمانی که فوتون‌ها در مکان مرکزی آشکارسازی می‌شوند، یک مدار کوانتومی مخصوص روی دو کیوبیت اعمال می‌شود که باعث می‌شود آنها در یک وضعیت درهم‌تنیده قرار گیرند.

روسکوک در توضیح این فرآیند می‌گوید: "پروتکل ما از اطلاعات زمان‌بندی رسیدن فوتون‌ها استفاده کرده و یک مدار کوانتومی شامل مجموعه‌ای از دروازه‌های منطقی را روی دو کیوبیت اعمال می‌کند. در نتیجه، در نهایت یک وضعیت درهم‌تنیده حاصل می‌شود."

آینده شبکه‌های کوانتومی

پلتفرم YVO₄ که توسط این تیم توسعه یافته، ظرفیت نگهداری تعداد زیادی کیوبیت را دارد. در این پژوهش، هر گره شامل حدود ۲۰ کیوبیت بود، اما محققان معتقدند که این تعداد را می‌توان حداقل ۱۰ برابر افزایش داد.

چون-جو وو، یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: "ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد یون‌های عناصر نادر، همراه با پروتکل توسعه‌یافته ما، مسیر را برای ایجاد شبکه‌هایی با صد‌ها کیوبیت در هر گره هموار می‌کند."

فارائون نیز در این زمینه می‌افزاید: "ما معتقدیم که این پژوهش پایه‌ای محکم برای توسعه سیستم‌های ارتباطات کوانتومی با عملکرد بالا بر اساس یون‌های عناصر نادر فراهم می‌کند."

انتهای پیام/