Kuantum ışınlanmada yeni adım: 'Kuantum interneti için çok önemli'

Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO)

Kuantum ışınlanma, kaynak olarak ‘kuantum dolanıklık’ diye bilinen bir olgunun yardımıyla, biri gönderici, diğeri alıcı olmak üzere iki uzak kuantum nesnesi arasında kuantum bilgisinin aktarılmasına imkan tanıyan bir tekniktir. Bu sürecin benzersiz özelliği ise iki tarafı birbirine bağlayan bir iletişim kanalı üzerinden kuantum bitleri (yani, kübit’ler) yollanarak gerçek bilginin aktarılmıyor olmasıdır. Bunun yerine, bilgi bir yerde yok olur ve iki nokta arasında fiziksel biçimde hareket etmeksizin diğer noktada belirir. Bu şaşırtıcı özellik, klasik bitlerin iletiminin eşlik ettiği kuantum dolanıklık yoluyla işler.

Günümüzde kuantum iletişimi ve kuantum ağları alanında, kuantum ışınlanmasına derin bir ilgi var; zira bu, daha önceden yaratılan dolanıklığı kullanarak, kuantum bitlerinin ağ düğümleri boyunca çok uzak mesafeler arasında aktarılmasına imkan tanıyacak. Bu ilerleme, kuantum teknolojilerinin var olan telekomünikasyon ağlarına dahil edilmesine yardım edecek ve bu sistemlerin sunduğu aşırı güvenli iletişimi çok uzun bir menzile kavuşturacak.

Kuantum ışınlanması, kuantum bilgisinin, örneğin ışık ve madde ya da farklı kuantum düğümleri gibi farklı kuantum sistemleri arasında aktarılmasına da imkan verecek.

KUANTUM IŞINLANMA, İLK KEZ 90’LARDA GÜNDEME GELDİ

Kuantum ışınlanma, kuramsal olarak 1990’ların başında gündeme getirildi ve dünya çapında birkaç grup tarafından deneysel gösterimler gerçekleştirildi. Bilim dünyası bu deneylerin nasıl gerçekleştirileceği konusunda engin bir deneyim kazanmış olsa bile, bilginin kolay bir biçimde nasıl ışınlanacağı ve genişletilmiş bir ağ üzerinde güvenilir ve hızlı kuantum iletişiminin nasıl oluşturulacağı hakkında hâlâ yanıtlanmamış bir soru mevcut.

Bu tür bir altyapının, kullanımdaki iletişim ağıyla uyumlu olması gerektiği bariz biçimde görülüyor. Buna ek olarak, kuantum ışınlanma protokolü, bilgiyi aslına uygun ve daha yüksek bir hızda aktarmak için ışınlanma ölçümünün (klasik bitlerle aktarılan) sonucuna bağlı olarak ışınlanan kübit üzerinde ‘aktif ileri besleme’ adı verilen nihai bir işlemin gerçekleştirilmesini gerektirir. Bu işlem, alıcının, son işlem gerçekleştirilene dek kübit’e zarar vermeden depolayabilen ve ‘kuantum bellek’ adıyla bilinen bir cihaza ihtiyaç duyması demek. Son olarak, bu kuantum bellek, gönderici ve alıcı birbirinden uzak mesafelerdeyken ışınlanma bilgilerinin süratini en üst düzeye çıkarmak için çoğullanmış bir şekilde çalışabilmeli. Şu ana dek hiçbir uygulama, bu üç gereksinimi aynı deneye dahil etmemişti.

KULLANILAN TEKNİK, 'AKTİF İLERİ BESLEME' ŞEMASI İÇERİYOR

Kısa süre önce Nature Communications dergisinde yayınlanan bir makalede, Fotonik Bilimler Enstitüsü'nde (ICFO) ICREA Profesörü olan Hugues de Riedmatten'in öncülüğündeki ICFO araştırmacıları Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac ve Samuele Grandi’den oluşan ekip, kuantum bilgisinin uzun mesafelerdeki bir fotondan katı hâl kübitine, çoğullanmış bir kuantum belleğinde depolanan bir fotona ışınlanmasını başardığını duyurdu.

Kullanılan teknik, belleğin çoklu modunun yanı sıra, ışınlanma hızının en üst seviyeye çıkarılmasına imkan tanıyan bir ‘aktif ileri besleme’ şemasının kullanılmasını içeriyordu.

Önerilen yapı, iletişim kanallarıyla uyumluydu ve bu sayede uzun mesafeler arası kuantum iletişimi için gelecekteki entegrasyon ve ölçeklenebilirliği mümkün hale getirdi.

KUANTUM IŞINLANMA NASIL BAŞARILDI?

Araştırma ekibi, bilimsel jargonda çoğu zaman ‘Alice ve Bob’ diye adlandırılan iki deney düzeneği hazırladı. İki kurulum, taraflar arasındaki fiziksel uzaklığı taklit etmek için bir makaraya sarılan 1 kilometre uzunluğundaki bir fiber optik kabloyla birbirine bağlandı.

Deneyde üç foton kullanıldı. İlk kurulum olan Alice’te, ekip birbirine dolanık halde iki foton yaratmak için özel bir kristal kullandı: sonuçta ortaya ‘sinyal fotonu’ diye adlandırılan 606 nm’lik ilk foton ve iletişim altyapısıyla uyumlu ‘avara fotonu’ adı verilen ikinci foton çıktı.

Dario Lago, yaratılmalarının ardından, “İlk 606 nm fotonu Alice’te tuttuk ve onu çoğullanmış bir katı hâl kuantum belleğinde saklayarak gelecekteki işlemlerde kullanmak amacıyla bellekte koruduk. Alice’te yaratılan iletişim fotonunu da aldık ve Bob adı verilen ikinci deney düzeneğine ulaştırmak için 1 km’lik optik fiber üzerinden gönderdik” dedi.

Bob adlı ikinci düzenekte, bilim insanlarının ışınlamayı amaçladıkları kuantum bitini kodlayacakları üçüncü bir foton yarattıkları başka bir kristal daha mevcuttu. Üçüncü fotonun oluşturulmasının ardından, ikinci foton Alice’den Bob’a ulaşmıştı ve ışınlanma deneyinin odağının gerçekleştiği yer burasıydı.

BİLGİ 1 KİLOMETREDEN DAHA UZAĞA IŞINLANDI

İkinci ve üçüncü fotonlar, Çan Durumu Ölçümü (BSM) diye bilinen yöntemle birbirlerine müdahale etti. Bu ölçümün yarattığı etki, ikinci ve üçüncü fotonun durumunu karıştırmaktı.

Birinci ve ikinci fotonun başlangıçta birbirine dolanık olması, yani ortak durumlarının yüksek oranda ilişkili olması sayesinde,  Çan Durumu Ölçümü'nün sonucu, üçüncü fotonda kodlanan bilgilerin 1 kilometre mesafedeki Alice’teki bir kuantum belleğinde depolanan birinci fotona aktarılması oldu.

Dario Lago ve Jelena Rakonjac, bu durumu şöyle açıkladı: “Daha önce hiç temas halinde olmasa bile gerçekten de birincisine dolanık olan ve üçüncü bir foton aracılığıyla birbirine bağlanan iki foton arasında bilgiyi aktarabiliyoruz. Bu deneyi eşsiz kılan şey, ilk fotonu gerektiği kadar uzun bir süreyle depolayabilen çoğullanmış bir kuantum bellek kullanmamızda yatıyor; onun sayesinde, Alice etkileşimin gerçekleştiğini öğrendiğinde, ışınlanan bilgiyi protokolün gerektirdiği biçimde işleyebildik."

Dario ve Jelena’nın söz ettiği bu işlem, daha önce adı geçen ‘aktif ileri besleme’ tekniği idi. BSM’nin neticesine bağlı biçimde, bellekte depolanmasının ardından ilk fotona bir faz kayması uygulandı. Bu yolla, aynı durum ilk fotonda daimi olarak kodlanacaktı. Bu yapılmazsa, ışınlanma işlemlerinin yarısı boşa gidecekti.

Bununla beraber, kuantum belleğin çok modlu oluşu, ışınlanan kübitin kalitesini azaltmaksızın, aralarındaki 1 kilometrelik mesafenin yarattığı sınırların ötesine geçerek ışınlanma hızını yükseltmelerine imkan sağladı. Genel olarak, bu işlem, sadece klasik donanımın süratiyle sınırlı olan tek modlu bir kuantum belleğe kıyasla üç kat daha yüksek bir ışınlanma hızıyla neticelendi.

ÖLÇEKLENEBİLİRLİK VE ENTEGRASYON

Yine ilk kez bu grup tarafından 2021 yılında gerçekleştirilen, 10 metre mesafeyle birbirinden ayrılan ve iletişim dalga boyunda bir foton tarafından onaylanan, iki çok modlu kuantum hafızanın dolanık hale gelmesini mümkün kıldıkları daha önceki deney, bu deneyin öncüsüdür. Hugues de Riedmatten, bunu şöyle anlattı:

“Kuantum ışınlanma, geleceğin kuantum interneti açısından, yüksek kaliteli ve uzun mesafeli iletişimi mümkün kılmak noktasında büyük önem taşıyacak. Hedefimiz, kuantum ışınlamayı, daha önceden dağıtılan dolaşıklık aracılığıyla git gide daha karmaşık ağlar üzerinde gerçekleştirmek. Katı hâl kuantum düğümlerimizin katı hâli ve çoğullanmış yapısının iletişim ağıyla uyumlu olması, bunu, teknolojiyi kurulu fiber ağda uzak mesafelere yaymak için umut vaat eden bir yaklaşım haline getiriyor.”

Hâlihazırda daha fazla ilerleme planlanıyor. Ekip bir yandan verimliliği ve oranları korurken, diğer yandan bu kurulumun menzilini çok daha uzun mesafelere genişletmek için mevcut teknolojiyi dönüştürmeye ve geliştirmeye odaklanıyor. Bunların yanı sıra, kuantum bilgisini uzakta bulunan taraflar arasında dağıtabilecek ve geleceğin iyi işleyen kuantum internetine erişmek için, bu tekniği farklı türden kuantum düğümleri arasında bilgi aktarımı amacıyla incelemeyi ve kullanmayı da amaçlıyorlar.

Yazının orijinali Science Daily sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)