دستیابی به تلپورت کوانتومی بین فوتون‌های دو منبع نوری دوردست
نوشته جوتا ویت، دانشگاه اشتوتگارت
زندگی روزمره در اینترنت ایمن نیست. هکرها می‌توانند به حساب‌های بانکی نفوذ کرده یا هویت‌های دیجیتال را سرقت کنند. با پیشرفت هوش مصنوعی، حملات به‌طور فزاینده‌ای پیچیده‌تر می‌شوند. رمزنگاری کوانتومی وعدهٔ محافظت مؤثرتری را می‌دهد. این روش با استناد به قوانین فیزیک کوانتومی، ارتباطات را در برابر شنود ایمن می‌کند. با این حال، مسیر رسیدن به اینترنت کوانتومی هنوز با موانع فنی فراوانی مواجه است.
پژوهشگران مؤسسهٔ اپتیک نیمه‌هادی و رابط‌های عملکردی (IHFG) در دانشگاه اشتوتگارت اکنون دستاوردی مهم در یکی از سخت‌ترین مؤلفه‌های فنی، یعنی تکرارگر کوانتومی، به‌دست آورده‌اند. نتایج خود را در Nature Communications گزارش کردند.
جزایر نیمه‌هادی نانومتری برای انتقال اطلاعات
“برای اولین بار در جهان، ما موفق به انتقال اطلاعات کوانتومی بین فوتون‌های ناشی از دو نقطهٔ کوانتومی متفاوت شده‌ایم”، می‌گوید پروفسور پیتر میشلر، رئیس IHFG و سخنگوی معاون پروژهٔ تحقیقاتی Quantenrepeater.Net (QR.N).
پیش‌زمینه چیست؟ چه در واتس‌اپ و چه در پخش ویدیو، هر پیام دیجیتال از صفرها و یک‌ها تشکیل شده است. به همین ترتیب، این مفهوم در ارتباطات کوانتومی نیز برقرار است، به‌طوری‌که ذرات نور منفرد به‌عنوان حامل‌های اطلاعات عمل می‌کنند.
صفر یا یک سپس در دو جهت متفاوت قطب‌بندی فوتون‌ها (یعنی جهت‌گیری آنها در افقی و عمودی یا در ترکیبی از هر دو حالت) کدگذاری می‌شود. چون فوتون‌ها قوانین مکانیک کوانتومی را پشت سر می‌گذارند، قطب‌بندی آنها را نمی‌توان همیشه به‌صورت کامل بدون باقی‌گذاری اثر خواند. هر گونه تلاش برای رهگیری انتقال به‌طور ناگزیر کشف می‌شود.
آماده‌سازی اینترنت کوانتومی برای زیرساخت فیبرنوری
چالش دیگر: یک اینترنت کوانتومی مقرون‌به‌صرفه باید از فیبرهای نوری استفاده کند—همانند اینترنت امروزی. اما نور دارای برد محدود است. به همین دلیل، سیگنال‌های نوری معمولی تقریباً هر ۵۰ کیلومتر باید توسط تقویت‌کنندهٔ نوری تجدید شوند.
از آنجا که اطلاعات کوانتومی نمی‌توانند به‌سادگی تقویت یا کپی و دوباره ارسال شوند، این روش در اینترنت کوانتومی کارا نیست. اما فیزیک کوانتومی امکان انتقال اطلاعات از یک فوتون به فوتون دیگر را می‌دهد به‌شرطی که این اطلاعات نامشخص بمانند. این فرآیند به‌نام تلپورت کوانتومی شناخته می‌شود.
تکرارگرهای کوانتومی به‌عنوان گره‌های انتقال اطلاعات
بر پایهٔ این دستاورد، فیزیک‌دانان در حال توسعهٔ تکرارگرهای کوانتومی هستند که اطلاعات کوانتومی را پیش از جذب در فیبر نوری تجدید می‌کنند. این تکرارگرها قرار است به‌عنوان گره‌های اینترنت کوانتومی عمل کنند. با این حال، موانع فنی قابل‌توجهی وجود دارد. برای انتقال اطلاعات کوانتومی از طریق تلپورت، فوتون‌ها باید غیرقابل تمییز باشند (یعنی پروفیل زمانی و رنگ تقریباً یکسانی داشته باشند). این امر به‌دلیل تولید فوتون‌ها در مکان‌ها و منابع مختلف بسیار دشوار است.
“ذرات نور از نقطه‌های کوانتومی مختلف پیش از این هرگز تلپورت نشده‌اند؛ چرا که این کار بسیار چالش‌برانگیز است”، می‌گوید تیم استروبِل، دانشمند IHFG و مؤلف اول مطالعه. به‌عنوان بخشی از QR.N، تیم او منبع‌های نور نیمه‌هادی را توسعه داده‌اند که فوتون‌های تقریباً یکسانی تولید می‌کنند.
“در این جزایر نیمه‌هادی، سطوح انرژی ثابت خاصی وجود دارند، درست مانند یک اتم”، می‌گوید استروبِل. این امکان را فراهم می‌کند که فوتون‌های منفرد با ویژگی‌های تعریف‌شده تنها با فشار یک دکمه تولید شوند.
“همکاران ما در مؤسسهٔ لایبنیتز برای پژوهش در زمینهٔ جامدات و مواد در درسدن، نقطه‌های کوانتومی را توسعه داده‌اند که فقط با تفاوت‌های جزئی متفاوت هستند”، می‌گوید استروبِل. این به این معناست که فوتون‌های تقریباً یکسان می‌توانند در دو مکان تولید شوند.
با بیش از ۱۰۰,۰۰۰ مشترک که برای دریافت روزانهٔ بینش‌های علمی از Phys.org اعتماد دارند، جدیدترین اخبار علمی، فناوری و فضا را کشف کنید. برای دریافت خبرنامهٔ رایگان ما ثبت‌نام کنید و از تازه‌ترین دستاوردها، نوآوری‌ها و پژوهش‌های مهم با فرکانس روزانه یا هفتگی باخبر شوید.
انتقال اطلاعات از یک فوتون به فوتون دیگر
در دانشگاه اشتوتگارت، تیم موفق شد وضعیت قطب‌بندی یک فوتون ناشی از یک نقطهٔ کوانتومی را به فوتونی دیگر از نقطهٔ کوانتومی دوم تلپورت کند. یک نقطهٔ کوانتومی یک فوتون منفرد تولید می‌کند، در حالی که دیگری جفت فوتون درهم‌تنیده تولید می‌نماید.
درهم‌تنیده به این معنی است که دو ذره به‌عنوان یک واحد کوانتومی واحد عمل می‌کنند، حتی اگر به‌صورت فیزیکی از هم جدا شوند. یکی از این دو ذره به نقطهٔ کوانتومی دوم می‌رسد و با ذرهٔ نوری آن تداخل می‌کند. این دو به‌هم می‌پوشند. به‌دلیل این ابرپوشانی، اطلاعات فوتون منفرد به شریک دوردست جفت منتقل می‌شود.
دستگاه‌های تبدیل‌کنندهٔ فرکانس کوانتومی، که اختلافات باقیماندهٔ فرکانسی میان فوتون‌ها را جبران می‌کردند، نقش کلیدی در موفقیت این آزمایش ایفا کردند. این مبدل‌ها توسط تیمی به‌سرپرستی پروفسور کریستوف بچر، متخصص اپتیک کوانتومی در دانشگاه سارا لند، توسعه یافتند.
بهبودها برای دستیابی به فواصل بسیار بزرگ‌تر
“انتقال اطلاعات کوانتومی بین فوتون‌های ناشی از نقطه‌های کوانتومی مختلف گامی اساسی برای برقراری ارتباط در فواصل بیشتر است”، می‌گوید میشلر.
در آزمایش‌اشتوتگارت، نقطه‌های کوانتومی تنها با یک فیبر نوری حدود ۱۰ متر طول جدای شده بودند. “اما ما در حال کار بر روی دستیابی به فواصل خیلی بزرگ‌تر هستیم”، می‌گوید استروبِل.
در کارهای قبلی، تیم نشان داد که درهم‌تنیدگی فوتون‌های نقطهٔ کوانتومی حتی پس از انتقال ۳۶ کیلومتری از مرکز شهر اشتوتگارت نیز حفظ می‌شود. هدف دیگری افزایش نرخ موفقیت فعلی تلپورت است که در حال حاضر کمی بالای ۷۰٪ قرار دارد. نوسانات در نقطهٔ کوانتومی همچنان باعث تفاوت‌های جزئی بین فوتون‌ها می‌شود.
“ما قصد داریم با پیشرفت تکنیک‌های ساخت نیمه‌هادی، این اختلافات را کاهش دهیم”، می‌گوید استروبِل.
“دستیابی به این آزمایش یک هدف طولانی‌مدت بوده است—این نتایج نشانگر سال‌ها تعهد و پیشرفت علمی هستند”، می‌گوید دکتر سیمون لوکا پورتالپی، سرپرست گروه در IHFG و یکی از هماهنگ‌کنندگان مطالعه. “دیدن اینکه چگونه آزمایش‌های متمرکز بر پژوهش بنیادی اولین گام‌های خود را به سوی کاربردهای عملی برمی‌دارند، هیجان‌انگیز است.”
اطلاعات بیشتر: تیم استروبِل و همکاران، تلپورت کوانتومی در باند طول موج مخابراتی با استفاده از فوتون‌های تبدیل‌شدهٔ فرکانسی از نقطه‌های کوانتومی دوردست، Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65912-8
اطلاعات مجله: Nature Communications
ارائه‌شده توسط دانشگاه اشتوتگارت