Στέλνοντας κβαντικές πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις

Πηγή: PhysOrg, 19 Ιουλίου 2006

Από τότε που προτάθηκε η ιδέα της κβαντικής επικοινωνίας, οι επιστήμονες έχουν δοκιμάσει κβαντικά συστήματα επικοινωνιών να είναι απολύτως ξεχωριστά από τα κλασσικά συστήματα επικοινωνιών. Εντούτοις, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων ανατρέπει αυτήν την ιδέα με ένα κβαντικό σχήμα επικοινωνιών που ενσωματώνει τις υπάρχουσες κλασσικές δομές τηλεπικοινωνιών.

"Το νέο αυτό σύστημα είναι ισχυρότερο", εξηγεί ο Peter van Loock, ένας από τους συντάκτες της ανακοίνωσης στο Physical Review Letters, "γιατί εκτός από την κλασσική επικοινωνία, θα ήμαστε σε θέση να μεταβιβάσουμε και κβαντικές πληροφορίες."

Στην ανακοίνωση με τίτλο "Υβριδικοί Κβαντικοί Επαναλήπτες με χρήση σύμφωνου φωτός", ο  van Loock και οι συνάδελφοι του από το Εθνικό Ινστιτούτο Πληροφορικής στο Τόκιο, το Ερευνητικό Κέντρο Νανοηλεκτρονικής στο Τόκιο, το πανεπιστήμιο του Στάνφορντ καθώς και τα Εργαστήρια της Hewlett Packard στο Μπρίστολ, εξηγούν πώς θα μπορούσε να είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν οι κβαντικοί επαναλήπτες με την υπάρχουσα δομή των οπτικών ινών για να στείλουν κβαντικές πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιώντας μια σειρά επαναληπτών.

Με έναν κβαντικό επαναλήπτη - που περιέχει μια ανεξάρτητη, συγχρονισμένη πηγή φωτονίων - και που βρίσκεται σε περιοδικές θέσεις κατά μήκος του καναλιού, ένα υπολογιστικό σήμα θα κερδίσει μια ισχύ, που θα του επιτρέψει να συνεχίσει προς τον προορισμό του.

"Η ιδέα των κβαντικών επαναληπτών δεν είναι νέα",  εξηγεί ο van Loock. Οι ειδικοί έχουν καταλάβει εδώ και επτά χρόνια ότι οι επαναλήπτες θα ήταν απαραίτητοι προκειμένου να αποτραπεί η απώλεια των κβαντικών πληροφοριών όταν διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις. Η αποστολή των πληροφοριών πάνω από 10 ή 20 χιλιόμετρα θα μπορούσε να οδηγήσει στη συσσώρευση τόσο πολύ θορύβου που οι αρχικές πληροφορίες χάνονται ώσπου να φθάνουν στο τέλος. Ένας επαναλήπτης παίρνει τις πληροφορίες, τις ενισχύει και τις περνά έπειτα στον επόμενο σταθμό με μια διαδικασία που επιτρέπει στις πληροφορίες να ταξιδέψουν περισσότερο από 1.000 χιλιόμετρα.

Ο van Loock λέει ότι άλλα κβαντικά επικοινωνιακά σχέδια επικεντρώνονται μόνο στη χρησιμοποίηση διακριτών βαθμών ελευθερίας. Χρησιμοποιούνται δε αδύνατοι παλμοί φωτός κι όχι ισχυροί παλμοί λέιζερ, κάτι που οδηγεί σε υψηλής ποιότητας διεμπλοκή, αλλά θέλει κι αρκετό χρόνο. Η αποδοτικότητα είναι χαμηλή, δεδομένου ότι υπάρχει πολλή αναμονή για ένα επιτυχές αποτέλεσμα.

Η νέα θεωρία του van Loock και των συνεργατών του ονομάζεται PRL, και λειτουργεί διαφορετικά. Υπάρχει ένα υβριδικό σύστημα στο οποίο χρησιμοποιούνται και διακριτοί και συνεχείς βαθμοί ελευθερίας. Η διακριτή μεταβλητή περιγράφει το σπιν των qubits, και οι συνεχείς μεταβλητές περιγράφουν το φως. Η συνεχής μεταβλητή ασχολείται περισσότερο με τα πλάτη και τις φάσεις του φωτός παρά με τους αριθμούς των φωτονίων. "Είναι ένας φυσικότερος τρόπος για να εργαστεί κάποιος με το φως, παρόμοια με αυτό που οι άνθρωποι κάνουν στην κλασσική οπτική", λέει ο van Loock.

Αντί να χρησιμοποιηθεί ένας ασθενής παλμός λέιζερ για να μεταφέρουν πεπλεγμένα qubits από το ένα σταθμό του επαναλήπτη στον επόμενο σταθμό, οι επιστήμονες προτείνουν έναν έντονο παλμό φωτός που μεταφέρει 10⁴ φωτόνια. Για να ανιχνεύσει τη φάση του φωτός και να παραγάγει έτσι τα πεπλεγμένα σπιν, αυτό το σχέδιο θα χρησιμοποιούσε ομόδυνη ανίχνευση, που χρησιμοποιείται γενικά στην κβαντική οπτική, αλλά δεν ενσωματώνεται στα σημερινά σχέδια της κβαντικής μεταφοράς πληροφοριών σε μεγάλη απόσταση.

Έτσι, τα κύρια πλεονεκτήματα του νέου συστήματος είναι ότι έχει υψηλή αποδοτικότητα της ανίχνευσης και υψηλή αποδοτικότητα της παραγωγής διεμπλοκής. Ακόμα κι αν η διεμπλοκή είναι αρχικά ελαφρώς χειρότερη από τις άλλες μεθόδους, είναι ικανοποιητικό ότι πλησιάζει τη σχεδόν τέλεια διεμπλοκή. Κι αυτό γίνεται με μια διαδικασία σαν της απόσταξης.  Επίσης, ακόμα κι αν η αρχική ποιότητα του συστήματος είναι μέτρια, λειτουργεί με μια πολύ υψηλότερη ταχύτητα. Επιπλέον, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι το ποσοστό επιτυχίας είναι περίπου 40 τοις εκατό υψηλότερη από τα ποσοστά επιτυχίας που προσφέρονται από άλλα συστήματα.

Μπορεί βέβαια ένα τέτοιο σχέδιο να είναι ακόμα στη θεωρία, εντούτοις, ο van Loock λέει ότι οι συνεργάτες του στο Στάνφορντ δουλεύουν ήδη για τους τρόπους που μπορεί να πραγματοποιηθεί πειραματικά η ιδέα. Η κβαντική εργασία μεταφοράς των πληροφοριών είναι ήδη εν εξελίξει στο Στάνφορντ, και ο van Loock θεωρεί ότι μόλις πραγματοποιηθούν τα πειράματα που μπορούν να αναπτύξουν τις υπό όρους μετατοπίσεις της φάσης με τα λέιζερ, πρέπει να είναι δυνατό να πειραματιστεί με τα διαφορετικά σχέδια διανομής.

Η κβαντική μεταφορά πληροφοριών με αυτόν τον τρόπο θα ήταν χρήσιμη για πολλές μελλοντικές εφαρμογές. Θα μπορούσαμε να συνδέσουμε τους κβαντικούς υπολογιστές σε μεγάλες αποστάσεις για την ανταλλαγή πληροφοριών. Επίσης, η κβαντική επικοινωνία είναι ο μόνος άνευ όρων ασφαλής τρόπος για να σταλούν ευαίσθητες πληροφορίες. Μια τέτοια οργάνωση θα επέτρεπε τη μετάδοση μυστικών πληροφοριών χωρίς φόβο παρεμβολών.

Αλλά όπως επισημαίνει ο van Loock υπάρχουν μερικές εφαρμογές για τις οποίες οι κβαντικές πληροφορίες είναι περιττές. "Είναι πρακτικότερο να διατηρήσουμε τις κλασσικές επικοινωνίες για πολλά πράγματα. Ο νέος τρόπος είναι μόνο για τα πιο σύνθετα πράγματα και γι αυτό ένα τέτοιο σχέδιο είναι πρακτικό."

Και αυτή είναι η ομορφιά ενός υβριδικού συστήματος. Θα επέτρεπε στα κλασσικά συστήματα επικοινωνιών των οπτικών ινών να παραμείνουν σε ισχύ, αλλά και να είναι συμβατά για την κβαντική μεταφορά πληροφοριών, όταν απαιτείται. "Πιστεύουμε ότι το σχέδιό μας είναι πρακτικότερο από άλλα σχέδια, παίρνει ό,τι καλύτερο και από τον κλασσικό και από τον κβαντικό κόσμο", συμπληρώνει ο van Loock.