• Nisan 22, 2022

Kuantum internet çağı başlıyor mu?

Kuantum internet çağı başlıyor mu?

Bell durum analizörü kuantum internet yolunda dev bir sıçrayış sunarken bilim insanlarının artan kuantum mekaniği ustalığı, yeni bir inovasyon çağını müjdeliyor.

Doğanın en küçük ölçeğinin gücünden yararlanan teknolojiler, günümüzün önde gelen sistemlerinden katlanarak daha güçlü bilgisayarlardan, yakalanması zor karanlık maddeyi tespit edebilen sensörlerden ve neredeyse kırılmaz bir kuantum internetten, bilimsel spektrumda muazzam bir potansiyel sergiliyor.

Energy’s Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, SRI International, Freedom Photonics ve Purdue Üniversitesi bünyesinde görevli araştırmacılar, frekans kutusu kodlaması için ilk Bell durum analizörünü tasarlayarak tamamen kuantum bir internete doğru adım attı.

Bilgi bir kuantum ağı üzerinden gönderilmeden önce, bir kuantum durumuna kodlanmalıdır. Bu bilgi, kübitlerde veya bilgileri depolamak için kullanılan klasik bilgi işlem “bitlerinin” kuantum versiyonunda bulunur. Bu da dolaşık hale gelir, yani bunlar birbirlerinden bağımsız olarak tanımlanamayacakları bir durumda bulunurlar.

İki kübit arasındaki dolaşma, kübitlerin “Zil durumlarında” olduğu söylendiğinde maksimize edilmiş kabul edilir. Bu Bell durumlarını ölçmek, kuantum iletişimini gerçekleştirmek ve bir kuantum ağı boyunca dolaşıklığı dağıtmak için gerekli olan birçok protokolü gerçekleştirmek için kritik öneme sahip. Bu ölçümler uzun yıllardır yapılıyor olsa da ekibin yöntemi, aynı anda iki farklı frekansta bulunan tek fotonları kullanan bir kuantum iletişim yöntemi olan frekans kutusu kodlaması için özel olarak geliştirilen ilk Bell durum analizörünü temsil ediyor.

Araştırmacı Joseph Lukens, “Bu Bell durumlarını ölçmek kuantum internet iletişim için temeldir. Işınlama ve dolaşıklık takası gibi şeyleri başarmak için bir Bell durum analizörüne ihtiyacınız var.” diyor.

Işınlama, önemli bir fiziksel mesafe boyunca bir taraftan diğerine bilgi gönderme eylemidir ve dolaşıklık değiş tokuşu, daha önce dolaşmamış kübit çiftlerini dolaştırma yeteneğini ifade eder.

Lukens, “Bir fiber optik ağ üzerinden birbirine bağlı iki kuantum bilgisayarınız olduğunu hayal edin. Uzamsal ayrılıkları nedeniyle kendi başlarına birbirleriyle etkileşime giremezler. Ancak, her birinin yerel olarak tek bir fotonla dolanabileceğini varsayalım. Bu iki fotonu optik fiberden aşağı göndererek ve sonra birleştikleri yerde üzerlerinde bir Bell durumu ölçümü yaptığınızda sonuç, iki uzak kuantum bilgisayarının hiç etkileşime girmemiş olsalar bile artık dolaşmış olmasıdır. Bu sözde dolaşıklık takası, karmaşık kuantum ağları oluşturmak için kritik bir yetenektir.” Dedi.

Toplam dört Bell durumu olsa da, analiz cihazı herhangi bir zamanda yalnızca ikisini ayırt edebilir. Ancak bu sorun değil, çünkü diğer iki durumu ölçmek, şimdiye kadar gereksiz olan muazzam bir karmaşıklığın eklenmesini gerektirecektir.

Analizör simülasyonlarla tasarlandı ve %98 doğruluk gösterdi. Lukens, kalan %2’lik hata oranının analizörün kendisinden değil, test fotonlarının rastgele hazırlanmasından kaynaklanan kaçınılmaz gürültünün sonucu olduğunu söylüyor. Bu inanılmaz doğruluk, Lukens’in araştırmasının önceki odak noktası olan frekans kutuları için gerekli olan temel iletişim protokollerini sağlıyor.

2020 sonbaharında, Lukens ve Purdue Üniversitesi’ndeki meslektaşları ilk olarak, bir kuantum ağı üzerinden bilgi aktarmak için tekli frekans kutusu kübitlerinin nasıl tam olarak kontrol edilebileceğini gösterdi.

Kuantum frekans işlemcisi olarak bilinen bir teknolojiyi kullanan araştırmacılar, yaygın olarak uygulanabilir kuantum kapıları veya kuantum iletişim protokollerini gerçekleştirmek için gerekli mantıksal işlemleri gösterdiler. Bu protokollerde, araştırmacıların, genellikle ağın başka yerlerindeki parçacıklar üzerinde gerçekleştirilen ölçümlere yanıt olarak, kullanıcı tanımlı bir şekilde fotonları manipüle edebilmeleri gerekir.

AND/OR gibi klasik bilgisayarlarda ve iletişim teknolojilerinde kullanılan geleneksel işlemler, dijital sıfırlar ve birler üzerinde ayrı ayrı çalışırken, kuantum kapıları, sıfırların ve birlerin eşzamanlı süperpozisyonları üzerinde çalışır ve kuantum bilgilerini geçerken korunur. Bu gerçek kuantum ağını gerçekleştirmek için gerekli bir fenomendir.

Frekans kodlaması ve dolaşıklık birçok sistemde görünse ve fiber optik ile doğal olarak uyumlu olsa da bu fenomenleri veri işleme işlemlerini gerçekleştirmek için kullanmanın geleneksel olarak zor olduğu kanıtlanmıştır.

Araştırmacı Lukens ve meslektaşları Bell durum analizörü tamamlandığında, frekans kodlamasında türünün ilk örneği olacak eksiksiz bir dolaşıklık değiş tokuş deneyini genişletmeye çalışıyor. Bu çalışma, yakın zamanda DOE tarafından ödüllendirilen ORNL’nin Kuantum-Accelerated Internet Testbed projesinin bir parçası olarak planlanmıştı.