יונים סבוכים קבעו שיא למרחקים ארוכים - עולם הפיזיקה

שימוש בסיבים קלים וסיבים אופטיים לשליחת מידע מנקודה A ל-B הוא כיום נוהג סטנדרטי, אבל מה אם נוכל לדלג לחלוטין על שלבי ה"שליחה והסחיבה" ופשוט לקרוא מידע באופן מיידי? הודות להסתבכות קוונטית, רעיון זה אינו עוד יצירה בדיונית, אלא נושא למחקר מתמשך. על ידי הסתבכות של שני חלקיקים קוונטיים כמו יונים, מדענים יכולים להכניס אותם למצב משותף שביר שבו מדידת חלקיק אחד נותנת מידע על החלק השני בדרכים שזה בלתי אפשרי באופן קלאסי.

חוקרים מאוניברסיטת אינסברוק, אוסטריה, ביצעו כעת את תהליך ההסתבכות המסובך הזה בשני יוני סידן הכלואים בחללים אופטיים במרחק של 230 מ' זה מזה - שווה ערך לסביבות שני מגרשי כדורגל - ומחוברים באמצעות סיב אופטי באורך 520 מ'. הפרדה זו היא שיא ליונים לכודים ומציבה אבן דרך בתקשורת קוונטית ומערכות חישוב המבוססות על חלקיקים קוונטיים אלו.

לקראת רשת קוונטית

רשתות קוונטיות הן עמוד השדרה של מערכות תקשורת קוונטיות. בין האטרקציות שלהם היא שהם יכולים לקשר את העולם עם כוח מחשוב ואבטחה חסרי תקדים תוך שיפור חישה מדויקת ומדידות זמן עבור יישומים החל ממטרולוגיה ועד ניווט. רשתות קוונטיות כאלה יהיו מורכבות ממחשבים קוונטיים - הצמתים - המחוברים באמצעות חילופי פוטונים. החלפה זו יכולה להיעשות בחלל פנוי, בדומה לאופן שבו האור נע בחלל מהשמש לעינינו. לחלופין, ניתן לשלוח את הפוטונים דרך סיבים אופטיים הדומים לאלו המשמשים להעברת נתונים עבור שירותי אינטרנט, טלוויזיה וטלפון.

מחשבים קוונטיים המבוססים על יונים לכודים מציעים פלטפורמה מבטיחה לרשתות קוונטיות ולתקשורת קוונטית משתי סיבות. האחת היא שקל יחסית לשלוט במצבים הקוונטיים שלהם. השני הוא שמצבים אלה עמידים בפני הפרעות חיצוניות שעלולות לשבש את המידע הנישא בין הצמתים ובין הצמתים.

יוני סידן לכודים

בעבודה האחרונה, צוותי מחקר בראשות טרייסי נורת'אפ ו בן לניון באינסברוק נלכדו יוני סידן במלכודות פול - תצורת שדה חשמלי שמייצרת כוח על היון, ומגבילה אותו במרכז המלכודת. יוני סידן מושכים כי יש להם מבנה אלקטרוני פשוט והם עמידים בפני רעשים. "הם תואמים לטכנולוגיה הדרושה לרשתות קוונטיות; והם גם נלכדים ומתקררים בקלות, ולכן מתאימים לרשתות קוונטיות ניתנות להרחבה", מסביר מריה גאלי, דוקטורנט באינסברוק שהיה מעורב בעבודה, המתוארת ב מכתבי סקירה פיזית.

החוקרים התחילו בהצבת יון בודד כלוא בתוך כל אחד משני חללים אופטיים נפרדים. חללים אלו הם רווחים בין זוגות מראות המאפשרים שליטה וכוונון מדויקים של תדר האור המקפץ ביניהם (ראה תמונה למעלה). שליטה הדוקה זו חיונית לקישור, או הסתבכות, המידע של היון לזה של הפוטון.

לאחר הסתבכות מערכת היון-פוטון בכל אחד משני החללים - הצמתים של הרשת - ביצעו החוקרים מדידה לאפיון המערכת המסובכת. בעוד המדידה הורסת את ההסתבכות, החוקרים נאלצו לחזור על התהליך הזה מספר פעמים כדי לייעל את השלב הזה. הפוטונים, שכל אחד מהם מסתבך באחד מיוני הסידן, מועברים לאחר מכן דרך הסיב האופטי המחבר בין שני הצמתים, הממוקמים במבנים נפרדים.

החלפת מידע

בעוד החוקרים יכלו להעביר את הפוטונים בחלל פנוי, בכך היה מסתכן בשיבוש הסתבכות יונים-פוטונים עקב מספר מקורות רעש. סיבים אופטיים, לעומת זאת, הם בעלי אובדן נמוך, והם גם מגנים על הפוטונים ומשמרים את הקיטוב שלהם, ומאפשרים הפרדה ארוכה יותר בין הצמתים. עם זאת, הם לא אידיאליים. "אכן ראינו כמה סחיפות בקיטוב. מסיבה זו, כל 20 דקות היינו מאפיינים את סיבוב הקיטוב של הסיב ומתקנים לו". אומרת גלי.

שני הפוטונים מחליפים את המידע של מערכות היון-פוטון שלהם בהתאמה באמצעות תהליך המכונה מדידת מצב פעמון פוטון (PBSM). בטכניקת זיהוי מצב-סלקטיבית זו, פונקציות הגל של הפוטונים חופפות, ויוצרות דפוס הפרעות שניתן למדוד באמצעות ארבעה גלאי פוטונים.

על ידי קריאת האותות הנמדדים על גלאי הפוטו, החוקרים יכולים לדעת אם המידע הנישא על ידי הפוטונים - מצב הקיטוב שלהם - זהה או לא. התאמת זוגות של תוצאות (מצבי קיטוב אופקיים או אנכיים) מבשרים כתוצאה מכך את יצירת ההסתבכות בין היונים המרוחקים.

פשרות להסתבכות מוצלחת

החוקרים נאלצו לאזן מספר גורמים כדי ליצור הסתבכות בין היונים. האחד הוא חלון הזמן שבו הם מבצעים את המדידה המשותפת הסופית של הפוטונים. ככל שחלון הזמן הזה ארוך יותר, כך יש לחוקרים סיכוי גדול יותר לגלות פוטונים - אבל הפשרה היא שהיונים פחות מסתבכים. הסיבה לכך היא שהם שואפים לתפוס פוטונים שמגיעים באותו זמן, ואפשרות של חלון זמן ארוך יותר יכול להוביל אותם לזהות פוטונים שבאמת הגיעו בזמנים שונים.

רשת קוונטית בעלת שלושה צמתים עושה את הופעת הבכורה שלה

לכן החוקרים היו צריכים לבדוק היטב כמה הסתבכות הם הצליחו להשיג עבור חלון זמן נתון. במשך חלון זמן של 1 מיקרושנייה, הם חזרו על הניסוי יותר מ-13 מיליון פעמים, ויצרו 555 אירועי זיהוי. לאחר מכן הם מדדו את מצב היונים בכל צומת באופן עצמאי כדי לבדוק את המתאם, שהיה 88%. "שלב המדידה האחרון שלנו הוא למעשה למדוד את המצב של שני היונים כדי לוודא שמתאם המצב הצפוי קיים", אומר גאלי. "זה מאשר שהצלחנו ליצור הסתבכות בין שני היונים".

מספרינט למרתון

שני מגרשי כדורגל אולי נראים כמו מרחק גדול שממנו ניתן ליצור מצב סבוך קוונטי מעורער, אבל לקבוצת אינסברוק יש תוכניות גדולות יותר. על ידי ביצוע שינויים כגון הגדלת אורך הגל של הפוטונים המשמשים להעברת מידע בין היונים, החוקרים מקווים לעבור מרחק גדול בהרבה של 50 ק"מ - יותר ממרתון.

בעוד שקבוצות מחקר אחרות הדגימו בעבר הסתבכות על פני מרחקים ארוכים אף יותר באמצעות אטומים ניטרליים, לפלטפורמות מבוססות יונים יש יתרונות מסוימים. גאלי מציין שהנאמנות של שערים קוונטיים המבוצעים עם יונים כלואים טובה יותר מאלה של שערים קוונטיים המבוצעים על אטומים, בעיקר בגלל שאינטראקציות בין יונים חזקות ויציבות יותר מאינטראקציות בין אטומים וזמן הקוהרנטיות של יונים ארוך בהרבה.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• קנה ומכירה של מניות בחברות PRE-IPO עם PREIPO®. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/