Βήματα προς τη δημιουργία κβαντικών δικτύων

Οι κβαντικοί υπολογιστές βρίσκονται ακόμη στα σπάργανα, με κάποια σχετικά επιτεύγματα κυρίως στις ΗΠΑ και την Κίνα, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν είναι ήδη σε εξέλιξη παράλληλες ερευνητικές προσπάθειες για τη μεταξύ τους δικτύωση με κβαντικό τρόπο μέσω οπτικών ινών, χωρίς τη μεσολάβηση ηλεκτρονικού κυκλώματος.

Αν και το δίκτυο που σχηματίστηκε στην πιο πρόσφατη από αυτές τις ερευνητικές προσπάθειες δεν έχει ακόμη την απόδοση που χρειάζεται για πρακτικές εφαρμογές, κατά τον Ρόντνι Βαν Μίτερ, μηχανικό κβαντικών δικτύων στο πανεπιστήμιο Κέιο, στο Τόκιο της Ιαπωνίας, αποτελεί επίδειξη της τεχνικής, που θα επιτρέψει τη δημιουργία κβαντικού διαδικτύου, με σύνδεση μεταξύ τους κόμβων, οι οποίοι θα βρίσκονται σε μακρινές αποστάσεις.

Βήματα προς τη δημιουργία κβαντικών δικτύων

Οι κβαντικές επικοινωνίες χρησιμοποιούν φαινόμενα, που είναι μοναδικά στο κβαντικό επίπεδο και δεν εκδηλώνονται στο μακροσκοπικό κόσμο της καθημερινότητας.

Στη συγκεκριμένη πειραματική διάταξη, συνδέθηκαν τρεις κόμβοι, πράγμα που δεν συμβαίνει για πρώτη φορά, αλλά τώρα έγινε με τρόπο που μπορεί ευκολότερα να οδηγήσει σε πρακτικές εφαρμογές.

Στην καρδιά των κβαντικών επικοινωνιών βρίσκονται πληροφορίες αποθηκευμένες σε qubit (κιούμπιτ) –κβαντικό ανάλογο των bit (στοιχειωδών ψηφιακών πληροφοριών) των ηλεκτρονικών υπολογιστών– τα οποία μπορούν να προγραμματιστούν, ώστε να είναι σε μια υπέρθεση^[1] του 0 και του 1.

Ο κύριος σκοπός του κβαντικού δικτύου είναι να επιτρέψει σε qubit στη συσκευή ενός χρήστη να διεμπλακούν με εκείνα της συσκευής ενός άλλου (μεταφέροντας έτσι πληροφορία από τον έναν κόμβο στον άλλο).

Αυτή η κβαντική διεμπλοκή μπορεί να δημιουργήσει έναν μυστικό κωδικό που να γνωρίζουν μόνο οι δύο συσκευές.

Τριπλή διεμπλοκή

Στην πιο πρόσφατη επίδειξη κβαντικής δικτύωσης, ο φυσικός Ρόναλντ Χάνσον και οι συνάδελφοί του στο πανεπιστήμιο του Ντελφτ, στην Ολλανδία, σύνδεσαν τρεις συσκευές με τρόπο που οποιοδήποτε ζευγάρι συσκευών να αποκτά διεμπλεκόμενα qubit.

Εβαλαν επίσης qubit και στις τρεις συσκευές σε μια τριπλά διεμπλεκόμενη κατάσταση, που επιτρέπει την ανταλλαγή μυστικών πληροφοριών μεταξύ τριών μερών.

Καθεμιά από τις συσκευές στο Ντελφτ αποθηκεύει κβαντικές πληροφορίες σε έναν κρύσταλλο συνθετικού διαμαντιού, για την ακρίβεια στις κβαντικές καταστάσεις μιας ατέλειας του κρυστάλλου, εκεί δηλαδή όπου ένα άτομο αζώτου έχει πάρει τη θέση ενός ατόμου άνθρακα.^[2]

Σε αυτές τις συσκευές, οι ερευνητές μπορούν να παρακινήσουν το qubit αζώτου να εκπέμψει ένα φωτόνιο, το οποίο αυτομάτως διεμπλέκεται με την κατάσταση του ατόμου του αζώτου. Στη συνέχεια, μπορούν να διοχετεύσουν το φωτόνιο μέσω οπτικής ίνας, ώστε να φτάσει σε μια από τις άλλες συσκευές, επιτρέποντας τη διεμπλοκή με το εκεί qubit.

Η συσκευή που βρίσκεται στο μέσο του δικτύου (βλ. διάγραμμα), μπορεί να διατηρήσει δεδομένα για περισσότερο χρόνο από τα άλλα qubit και ήταν το κλειδί για να επιτευχθεί η τριπλή διεμπλοκή.

Το qubit μνήμης, που υπάρχει σε αυτήν τη συσκευή, χρησιμοποιεί άνθρακα-13, ένα μη ραδιενεργό ισότοπο, που αποτελεί το 1% του άνθρακα που συναντάται στη φύση.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρόνιο στην ατέλεια αζώτου, ώστε να εντοπίσουν ένα κοντινό σε αυτήν πυρήνα ατόμου άνθρακα-13.

Χειραγωγώντας το ηλεκτρόνιο, κατάφεραν να επιβάλουν συγκεκριμένες κβαντικές καταστάσεις στον πυρήνα του άνθρακα-13, μετασχηματίζοντάς τον σε ένα επιπλέον qubit.

Τέτοιες κβαντικές μνήμες μπορούν να διατηρήσουν τις κβαντικές τους καταστάσεις για ένα λεπτό ή και περισσότερο, που για τον υποατομικό κόσμο μοιάζει με αιωνιότητα.

Δρομολογητές

Η μνήμη άνθρακα επέτρεψε στους ερευνητές να δημιουργήσουν το δίκτυο τριών συσκευών σε στάδια.

Στο πρώτο στάδιο, διέμπλεξαν έναν από τους ακριανούς κόμβους με το άζωτο στον κεντρικό κόμβο.

Μετά αποθήκευσαν την κβαντική κατάσταση του αζώτου στη μνήμη άνθρακα. Αυτό απελευθέρωσε το κεντρικό qubit αζώτου, ώστε να διεμπλακεί με το qubit στον τρίτο κόμβο.

Ως αποτέλεσμα, η κεντρική συσκευή είχε ένα qubit διεμπλεγμένο με τον πρώτο κόμβο και ένα άλλο ταυτόχρονα διεμπλεγμένο με τον τρίτο (μεταφέροντας την πληροφορία από τον πρώτο στον τρίτο).

Η τεχνική αυτή απαίτησε χρόνια βελτιώσεων.

Το qubit άνθρακα χρειάζεται να είναι καλά μονωμένο από το περιβάλλον του, ώστε η κβαντική του κατάσταση να επιβιώσει, όσο οι φυσικοί πραγματοποιούν τις άλλες διεργασίες, αλλά ταυτόχρονα να είναι προσβάσιμο, ώστε να μπορεί να προγραμματιστεί.

Αυτή και άλλες προκλήσεις, κάνουν το πείραμα να είναι πιο δύσκολο από το δίκτυο δύο κόμβων.

Η αποθήκευση πληροφορίας σε έναν από τους κόμβους επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να κάνει επίδειξη της τεχνικής, που αποκαλείται ανταλλαγή διεμπλοκής και η οποία μπορεί να αποδειχτεί το ίδιο κρίσιμη για ένα μελλοντικό κβαντικό διαδίκτυο, όσο είναι οι δρομολογητές (routers) για το σημερινό.

Η πρώτη ομάδα που συνένωσε τρεις κβαντικές μνήμες ήταν η ομάδα του φυσικού Παν Τζιανγουέι, του πανεπιστημίου της Κίνας στο Χεφέι, αλλά το έκανε με διαφορετικού τύπου qubit, βασισμένου σε νέφη ατόμων, αντί μεμονωμένων ατόμων σε στερεό αντικείμενο.

Στο πείραμα εκείνο δεν μπορούσε να προκληθεί διεμπλοκή κατά βούληση, αλλά απλώς να διαπιστωθεί η ύπαρξη διεμπλοκής, χωρίς δυνατότητα παραπέρα χρήσης της πληροφορίας.

Η ομάδα του Μιχαήλ Λούκιν, στο πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, θεωρεί ότι το πείραμα του Ντελφτ δεν λειτουργεί με ικανοποιητική ταχύτητα και επισημαίνει τους περιορισμούς που έχουν τα qubit που βασίζονται σε ατέλειες αζώτου. Γι’ αυτό εκείνη έχει επιλέξει τις ατέλειες πυριτίου μέσα σε τεχνητά διαμάντια.

Αλλες ομάδες δοκιμάζουν ατέλειες από άτομα σπάνιων γαιών, χρήση ιόντων παγιδευμένων σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και άλλες λύσεις υλοποίησης qubit, ένδειξη του διευρυνόμενου ενδιαφέροντος γι’ αυτόν τον ερευνητικό τομέα.