Ένα βήμα πιο κοντά στο κβαντικό διαδίκτυο. Νέο επιστημονικό πείραμα έσπασε κάθε προηγούμενο ρεκόρ

Ρεκόρ κβαντικής διασύνδεσης πέτυχαν Γερμανοί ερευνητές συνδέοντας μέσω οπτικής ίνας δύο κβαντικές μνήμες σε απόσταση 33 χλμ, κάνοντας παράλληλα, ένα σημαντικό βήμα προς την υλοποίηση του κβαντικού ίντερνετ.

Ένας εφιάλτης όλων μας είναι μήπως κάποιος κακόβουλος χρήστης χακάρει τα κινητά μας ή τους υπολογιστές μας. Για αυτό ανταλλάσσουμε τα μηνύματά μας σχεδόν πάντα κρυπτογραφημένα, αν και αυτό δεν αποτελεί εγγύηση για την ασφάλεια των συνομιλιών μας, καθώς και η κρυπτογράφηση μπορεί να σπάσει και να παραβιαστεί η επικοινωνία μας.

Το πρόβλημα αυτό θα λυνόταν αν μπορούσαμε να σταματήσουμε απευθείας την υποκλοπή στην ίδια τη μετάδοση. Αυτή η περιοχή έρευνας, στην οποία εμπλέκεται η κβαντομηχανική, ονομάζεται ασφάλεια φυσικού επιπέδου και απασχολεί τους επιστήμονες τηλεπικοινωνιών εδώ και δεκαετίες.

«Στη κβαντομηχανική (δηλ. μελέτη της ύλης και της ακτινοβολίας σε επίπεδο ατόμου), σωματίδια όπως το φωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, χαρακτηρίζονται από την κβαντική κατάσταση ή από τις πολλές παράλληλα καταστάσεις στις οποίες βρίσκονται. Πριν μετρήσουμε, δεν γνωρίζουμε σε ποια κατάσταση βρίσκεται το σύστημά μας (ίσως έχετε ακούσει για τη γάτα του Schrödinger), αλλά κατά τη μέτρηση καταστρέφεται η όποια αρχική «κβαντική κατάσταση» και το σύστημα καταλήγει σε μία κλασική κατάσταση (η γάτα θα είναι τελικά ζωντανή ή νεκρή όταν ανοίξουμε το κουτί). Αξιοποιώντας αυτό το φαινόμενο, όπως και αυτό της κβαντικής διεμπλοκής ή entanglement (αποκαλούμενης και κβαντικός εναγκαλισμός), μπορούμε να σχεδιάσουμε συστήματα φυσικής κρυπτογράφησης με βάση την κβαντομηχανική όπου μπορούμε να αντιληφθούμε αμέσως και την πιθανή υποκλοπή», εξηγεί ο Υποψήφιος Διδάκτωρ του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ, Βασίλης Παπανικολάου, συμπληρώνοντας πως για τα διεμπλεκόμενα σωματίδια ο κανόνας είναι απλός: «αν μετρήσουμε την κατάσταση του ενός σωματιδίου, τότε αυτόματα γνωρίζουμε και την κατάσταση του άλλου ανεξάρτητα από τη μεταξύ τους απόσταση. Αυτό αποτελεί μία ιδεατή κατάσταση για τις τηλεπικοινωνίες που καθιστά αδύνατη την υποκλοπή πληροφορίας».

Οι κβαντικοί υπολογιστές στο μέλλον, χάρη στην ιδιότητα των κβαντικών συστημάτων να βρίσκονται παράλληλα σε περισσότερες από μία κλασικές καταστάσεις, θα μπορούν να πραγματοποιούν πολύπλοκους υπολογισμούς για τους οποίους οι κλασικοί υπολογιστές θα χρειάζονταν δεκαετίες.

Σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη κβαντικής μνήμης

Ένα μεγάλο βήμα προς την ανάπτυξη κβαντικών μνημών πραγματοποιήθηκε πρόσφατα στη Γερμανία. Μία ομάδα στην οποία ηγούνται οι καθηγητές φυσικής Harald Weinfurter από το Πανεπιστήμιο Ludwig-Maximilians του Μονάχου και Christoph Becher από το Πανεπιστήμιο του Saarland κατάφερε να πετύχει μία ζεύξη δύο ατομικών κβαντικών μνημών μέσα από μία σύνδεση οπτικής ίνας απόστασης 33 χιλιομέτρων. Πρόκειται για τη μεγαλύτερη απόσταση που έχει καταγραφεί μέχρι τώρα για μία ζεύξη τέτοιου είδους σε οπτική ίνα.

«Η κβαντική διεμπλοκή διατηρείται μέσα από φωτόνια που εκπέμπονται από τις δύο κβαντικές μνήμες. Το αποφασιστικό βήμα της ομάδας αυτής ήταν η αλλαγή του μήκους κύματος των εκπεμπόμενων σωματιδίων ώστε να προσαρμόζονται καλύτερα στις οπτικές ίνες, κατά την τηλεπικοινωνία. Γνωρίζουμε από τις κλασικές οπτικές επικοινωνίες πως ανάλογα με το υλικό της οπτικής ίνας, κάποια μήκη κύματος υποστηρίζονται πολύ καλύτερα από άλλα. Κάνοντας αυτό, οι ερευνητές μπόρεσαν να μειώσουν σημαντικά τα φωτόνια που χάνονται στην επικοινωνία και να δημιουργήσουν διεμπλεκόμενες κβαντικές μνήμες ακόμα και μέσα από οπτικές ίνες πολλών χιλιομέτρων» περιγράφει ο Έλληνας ερευνητής.

Wikimedia commons

Σύμφωνα με τον ίδιο, τα κβαντικά δίκτυα γενικότερα αποτελούνται από κόμβους μεμονωμένων κβαντικών μνημών, όπως άτομα, ιόντα ή ακόμα και ατέλειες σε κρυσταλλικά πλέγματα. Αυτοί οι κόμβοι είναι δυνατόν να λαμβάνουν, να αποθηκεύουν και να στέλνουν κβαντικές καταστάσεις. Η επικοινωνία μεταξύ των κόμβων μπορεί να επιτευχθεί με την ανταλλαγή φωτονίων είτε μέσω του αέρα είτε μέσω οπτικής ίνας.

Για το πείραμά τους, οι Γερμανοί ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα σύστημα από δύο οπτικά παγιδευμένα άτομα ρουβιδίου σε δύο εργαστήρια μέσα στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Ludwig-Maximilian στο Μόναχο. Οι δύο τοποθεσίες συνδέονται μέσω μίας οπτικής ίνας μήκους 700 μέτρων, που περνάει κάτω από την πλατεία Geschwister-Scholl μπροστά από το κεντρικό κτήριο του πανεπιστημίου. Προσθέτοντας οπτικές ίνες τυλιγμένες σε σπείρες, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν ακόμα μεγαλύτερες αποστάσεις για το πείραμα, φτάνοντας τα 33 χιλιόμετρα.

Πρωτοποριακό πείραμα

Το πείραμα λειτουργεί ως εξής: ένας παλμός laser διεγείρει τα άτομα ρουβιδίου, τα οποία έπειτα αποδιεγείρονται αυθόρμητα στη βασική τους κατάσταση, εκπέμποντας παράλληλα ένα φωτόνιο με ενέργεια ίση με τη διαφορά ενέργειας των δύο καταστάσεων. Το κρίσιμο είναι ότι η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα η περιστροφή του ενός φωτονίου να περιπλέκεται κβαντικά με την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτονίου. Ο στόχος της ομάδας ήταν να επιβεβαιωθεί ότι διατηρείται η κατάσταση της διεμπλοκής μετά το ταξίδι των 33 χιλιομέτρων μέσα στην οπτική ίνα. Για αυτόν τον σκοπό, τα φωτόνια από τις κβαντικές μνήμες στάλθηκαν μέσω της οπτικής ίνας σε ένα σταθμό λήψης στο άλλο άκρο της οπτικής ίνας, όπου ήταν δυνατό να μετρηθεί η από κοινού κατάστασή τους ώστε να διαπιστωθεί η επιτυχία του πειράματος.

«Η κβαντική διεμπλοκή γενικά δύναται να καταστραφεί εξαιτίας της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με το περιβάλλον τους. Μπορούμε να πούμε πως πρόκειται για ένα είδος θορύβου που επηρεάζει την κβαντική κατάσταση. Ολόκληρη επιστήμη των κβαντικών υπολογιστών και επικοινωνιών βασίζεται στο πόσο καλά μπορούμε να διατηρήσουμε την κατάσταση της κβαντικής διεμπλοκής των συστημάτων. Και εδώ έγκειται και η μεγάλη σημασία του πειράματος αυτού», λέει ο κ. Παπανικολάου.

Προηγούμενες απόπειρες είχαν αποτύχει επειδή οι περισσότερες κβαντικές μνήμες εκπέμπουν φωτόνια με μήκη κύματος στο οπτικό φάσμα ή στο κοντινό υπέρυθρο, όπου στις επικοινωνίες οπτικής ίνας, τα φωτόνια αυτά ταξιδεύουν μόνο μερικά χιλιόμετρα πριν χαθούν. Η ομάδα των Γερμανών είχε την εξυπνάδα να κάνει μια προεπεξεργασία των φωτονίων πριν την αποστολή τους μέσω της οπτικής ίνας που βελτιστοποιεί το μήκος κύματός τους πριν το ταξίδι. Αξίζει να αναφερθεί πως το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τη συχνότητά της μέσω της ταχύτητας του φωτός στο μέσο. «Οι ερευνητές χρησιμοποιώντας την τεχνική της “κβαντικής μετατροπής συχνότητας με διατήρηση της πόλωσης”, αύξησαν το μήκος κύματος των φωτονίων από 780 σε 1.517 νανόμετρα, που είναι περίπου ίσο με το μήκος κύματος των τηλεπικοινωνιών 1.550 νανομέτρων - το ιδανικό εύρος συχνοτήτων για τη μετάδοση του φωτός κατά μήκος των περισσότερων διαθέσιμων οπτικών ινών. Σε αυτό το εύρος ζώνης των τηλεπικοινωνίων, οι υπάρχουσες ίνες, που είναι ευρέως διαθέσιμες πλέον, παρουσιάζουν τις μικρότερες απώλειες», διευκρινίζει ο κ. Παπανικολάου.

Wikimedia commons

Η ομάδα του Becher κατάφερε να πετύχει αυτήν τη μετατροπή με την απαράμιλλη αποδοτικότητα του 57% και να διατηρήσει την ποιότητα της πληροφορίας που ήταν «αποθηκευμένη» στα φωτόνια σε ένα μεγάλο βαθμό, που είναι και απαραίτητο για να πετύχει η κβαντική σύζευξη των μνημών.

«Η σημασία του πειράματός μας είναι ότι πρακτικά πετυχαίνουμε κβαντική διεμπλοκή μεταξύ των στατικών ατόμων, τα οποία δρουν ουσιαστικά ως κβαντικές μνήμες. Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο από την κβαντική διεμπλοκή φωτονίων, αλλά ανοίγει τον ορίζοντα για πάρα πολλές εφαρμογές», αναφέρει ο Tim van Leent, ο κύριος συγγραφέας της επιστημονικής δημοσίευσης της ομάδας.

Οι ερευνητές πιστεύουν πως το σύστημα που ανέπτυξαν θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την κατασκευή κβαντικών δικτύων μεγάλης κλίμακας αλλά και για την υλοποίηση ασφαλών πρωτοκόλλων κβαντικών επικοινωνιών. «Το πείραμα αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς το κβαντικό ίντερνετ που θα βασίζεται στην υπάρχουσα υποδομή οπτικών ινών» δηλώνει ο καθ. Harald Weinfurter.

Το επιστημονικό άρθρο που δημοσίευσε η ομάδα βρίσκεται διαθέσιμο από το περιοδικό Nature.

#ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ #ΕΡΕΥΝΑ #ΠΕΙΡΑΜΑ