טלפורטציה קוונטית מתרחבת מעבר לצמתים שכנים

פיזיקאים בהולנד הראו לראשונה שניתן להעביר מידע קוונטי בצורה מהימנה בין צמתי רשת שאינם מחוברים ישירות זה לזה. לדברי החוקרים, שיצרו את העולם רשת קוונטית ראשונה בת שלושה צמתים ב-QuTech (שיתוף פעולה בין אוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה ו-TNO) בשנת 2021, העבודה האחרונה מסמנת צעד נוסף לעבר אינטרנט קוונטי ניתן להרחבה.

רשתות קוונטיות מציעות דרך סופר מאובטחת להעברת מידע בין מיקומים שונים, או צמתים. בעוד שניתן לחבר את הצמתים הללו באמצעות סיבים אופטיים רגילים, הפסדי פוטון בתוך הסיבים מגבילים את איכותו, או הנאמנות, של החיבור: כאשר פוטון אובד, גם המידע הקוונטי שלו אובד. שימוש בהסתבכות קוונטית לטלפורטור מידע ישירות מצומת אחד לאחר מסיר את מנגנון האובדן הזה, מה שהופך אותו לרצוי עבור אינטרנט קוונטי עתידי.

רשת שלושת הצמתים שהודגמה ב-QuTech בשנת 2021 השתמשה בסיביות קוונטיות, או קיוביטים, שיוצרו ממרכזי חנקן-ריק (NV), שהם פגמים בתוך הסריג של אטומי הפחמן של היהלום. כל צומת הכיל קיוביט תקשורת, וצומת אחד שילב גם קיוביט זיכרון (שעשוי מאטום פחמן סמוך) שיכול לאחסן את המידע הקוונטי של הצומת. אבני הבניין להסתבכות של שלושה צמתים כבר היו קיימים, אך המערכת הייתה רחוקה מלהיות אמינה בהעברת מצבים באופן עקבי.

טלפורטציה קוונטית

הצעד הראשון בהעברת מידע קוונטי משולח למקלט הוא ליצור הסתבכות בין הקיוביטים שלהם. ביצוע מה שנקרא מדידת מצב Bell (BSM) על הקיוביט של השולח גורם למצב הקוונטי שלו לטלפורטציה – כלומר הוא נעלם מהצומת של השולח ומופיע, בצורה מוצפנת, בצומת המקלט. לאחר מכן ניתן לפענח את המצב הקוונטי באמצעות תוצאת BSM שנשלחת למקלט דרך ערוץ קלאסי (כגון סיב אופטי).

בעבר, זה נעשה רק עם שתי נקודות רשת סמוכות, שנקראו באופן מסורתי אליס ובוב. הוספת נקודה שלישית, צ'רלי, אינה משימה קלה, שכן ההסתבכות בין אליס וצ'רלי צריכה להיווצר באמצעות בוב, צומת הביניים. זה גם דורש נאמנות גבוהה כדי להפוך את הטלפורטציה לפונקציונלית.

שלבי אופטימיזציה

כדי להשיג את הנאמנות הגבוהה הזו, חוקרי QuTech ביצעו מספר שדרוגים. במערכת הקודמת שלהם, האותות ה"מבשרים" המצביעים על הסתבכות הגיעו מאותם גלאי פוטו שזיהו את הפוטונים ששימשו להסתבכות. עם זאת, זה יכול להוביל לאותות מבשר כוזבים עקב תהליכים לא רצויים שונים המייצרים פוטון שני. כדי להימנע מכך, הצוות הקים נתיב זיהוי נוסף המסמן את האותות המבשרים הכוזבים על ידי תפיסת הפוטון השני.

בעיה נוספת אליה התייחסו החוקרים היא דיפוזיה ספקטרלית, הגורמת לקיוביטים לצאת מפאזה, מה שמפחית את נאמנות השידור. לתהליך זה יש השפעה רבה יותר על פוטונים הנפלטים במועדים מאוחרים יותר, ולכן הצוות קיצר את חלון הזיהוי.

סט אחרון של שיפורים נגע לזיכרון המשמש לאחסון מידע קוונטי. ראשית, הצוות הגן על קיוביט הזיכרון מפני אינטראקציות עם ספינים גרעיניים שכנים. לשם כך, הם שילבו דופק של שדה מגנטי ברצף המסבוך שמהפך את הקיוביט של הזיכרון במרווחי זמן מוגדרים, ובכך קבעו את ממוצע ההשפעות של האינטראקציות הלא רצויות הללו. הם גם שיפרו את יכולתם לקרוא את קיוביט הזיכרון. מכיוון שלאחד המצבים של קיוביט הזיכרון יש נאמנות טובה יותר, הקריאה שלו אינה סימטרית. על ידי חזרה על תהליך הקריאה, הצוות סינן קריאות "גרועות", ובסופו של דבר הגביר את הנאמנות.

שגר אותי מעלה

בעקבות שיפורים אלה, החוקרים הצליחו להעביר מידע קוונטי בטלפורט בין הצמתים הלא סמוכים של צ'רלי ואליס. ראשית, הם הסתבכו את הקיוביט של אליס ושל צ'ארלי דרך זה של בוב. לאחר מכן אחסן צ'ארלי את החלק שלו מהמצב המסובך בקוביט הזיכרון שלו והכין את המצב הקוונטי לטלפורטציה. יישום ה-BSM בצ'רלי מעביר את המדינה אל אליס. לאחר מכן שלחו החוקרים את תוצאת ה-BSM לאליס והחזירו את המדינה בנאמנות של 71% - גבוה מהגבול הקלאסי של ⅔, מה שמוכיח שהטלפורטציה הצליחה.

רונלד הנסון, חוקר QuTech שהוביל את המחקר, אומר שהשלב הבא של הצוות יהיה הרחבת מספר הקיוביטים של הזיכרון, מה שיאפשר להפעיל פרוטוקולים מורכבים יותר. מטרה נוספת היא לגרום לטכנולוגיה לעבוד מחוץ לסביבת מעבדה, למשל על ידי שימוש בסיבים אופטיים שכבר נפרסו בתוך רשת אמיתית. "אנחנו גם משתפים פעולה עם מדעני מחשבים כדי לפתח את ערימת בקרת הרשת הקוונטית - ערימה דומה של שכבות בקרה שמנהלות כיום את האינטרנט שכולנו משתמשים בו היום", הוא אומר. עולם הפיזיקה.

Hugues de Riedmatten, חוקר ב-ICFO בברצלונה, ספרד, שלא היה מעורב במחקר, אומר שטלפורטציה קוונטית על צמתים לא שכנים היא אבן דרך משמעותית. לדעתו, ההישג הגדול ביותר של הצוות היה לשלב מספר ניסויים מאתגרים - שכולם צריכים להיות אופטימליים לחלוטין כדי להגיע לנאמנות הנדרשת לטלפורטציה קוונטית - להדגמה אחת. דה Riedmatten מציין כי המערך הנוכחי יכול להשתמש רק באחוז קטן מהפוטונים הנפלטים, מה שמגביל את קצב ההסתבכות המרוחקת שלו. עם זאת, הוא מוסיף שניתן לתקן זאת על ידי הטמעת מרכזי ה-NV בחלל אופטי כדי לאסוף יותר פוטונים, או באמצעות פולטים אחרים.

רודני ואן מטר גם באוניברסיטת Keio ביפן משבח את העבודה, ומתאר אותה כהבדל המהותי בין ערוץ פשוט המחבר בין שני צדדים לבין רשת בפועל. אחד הקשיים, הוא מציין, יהיה להגדיל למספר גדול של קיוביטים בכל צומת, אבל צוותים אחרים ברחבי העולם עבדו על בעיה זו עבור קיוביטים במרכזי NV. מכיוון שצוות דלפט כבר מתכנן להגדיל את מספר הצמתים ברשת שלו, הוא, הוא אומר, "מצפה לראות מה הם מייצרים בהמשך".

המחקר מתואר ב טבע.

ההודעה טלפורטציה קוונטית מתרחבת מעבר לצמתים שכנים הופיע לראשונה ב עולם הפיזיקה.

• Coinsmart. בורסת הביטקוין והקריפטו הטובה באירופה.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה חופשית.
• CryptoHawk. רדאר אלטקוין. ניסיון חינם.
• מקור: https://physicsworld.com/a/quantum-teleportation-expands-beyond-neighbouring-nodes/