Η πειραματική γνώση σύνθετων κβαντικών συστημάτων απαιτείται για
μελλοντικές τεχνολογίες όπως οι κβαντικοί υπολογιστές και η κβαντική
κρυπτογράφηση. Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Βιέννης και της
Αυστριακής Ακαδημίας Επιστημών επιδίωξαν να χρησιμοποιήσουν πιο σύνθετα
κβαντικά συστήματα από τα δισδιάστατα «entangled qubits» και έτσι
μπορούν να αυξήσουν την ικανότητα πληροφόρησης με τον ίδιο αριθμό
σωματιδίων.
Οι εξελιγμένες μέθοδοι και τεχνολογίες θα μπορούσαν στο μέλλον να επιτρέψουν τη τηλεμεταφορά σύνθετων κβαντικών συστημάτων. Τα αποτελέσματα της δουλειάς τους, «Experimental Greenberger-Horne-Zeilinger εμπλοκή πέρα από τα qubits», δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature Photonics.
Παρόμοια με τα bits σε συμβατικούς υπολογιστές, τα qubits είναι η μικρότερη μονάδα πληροφοριών σε κβαντικά συστήματα. Μεγάλες εταιρείες όπως η Google και η IBM ανταγωνίζονται ερευνητικά ινστιτούτα σε όλο τον κόσμο για να παράγουν έναν αυξανόμενο αριθμό εμπλεγμένων qubits και να αναπτύξουν έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή. Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα ακολουθεί μια νέα πορεία για την αύξηση της ικανότητας πληροφόρησης των σύνθετων κβαντικών συστημάτων.
Η ιδέα πίσω από αυτό είναι απλή: Αντί να αυξάνεται μόνο ο αριθμός των σωματιδίων που εμπλέκονται, η πολυπλοκότητα κάθε συστήματος αυξάνεται. «Το ιδιαίτερο στο πείραμά μας είναι ότι για πρώτη φορά εμπλέκονται τρία φωτόνια πέρα από τη συμβατική δισδιάστατη φύση», εξηγεί ο Manuel Erhard, πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Για το σκοπό αυτό, οι βιεννέζοι φυσικοί χρησιμοποίησαν κβαντικά συστήματα με περισσότερες από δύο πιθανές καταστάσεις – στη συγκεκριμένη περίπτωση, τη γωνιακή ορμή των επιμέρους ελαφρών σωματιδίων. Αυτά τα μεμονωμένα φωτόνια έχουν τώρα μεγαλύτερη ικανότητα πληροφόρησης από τα qubits.
Ωστόσο, η εμπλοκή αυτών των ελαφρών σωματιδίων αποδείχθηκε δύσκολη σε εννοιολογικό επίπεδο. Οι ερευνητές ξεπέρασαν αυτή την πρόκληση με μια πρωτοποριακή ιδέα: έναν αλγόριθμο υπολογιστή που αναζητά αυτόνομα μια πειραματική εφαρμογή.
Με τη βοήθεια ενός αλγόριθμου υπολογιστή που ονομάζεται Melvin, οι ερευνητές βρήκαν μια πειραματική ρύθμιση για να παράγουν αυτό το είδος εμπλοκής. Καταρχάς, αυτό ήταν πολύ περίπλοκο, αλλά λειτούργησε κατ ‘αρχήν. Μετά από κάποιες απλουστεύσεις, οι φυσικοί εξακολουθούσαν να αντιμετωπίζουν σημαντικές τεχνολογικές προκλήσεις.
Η ομάδα μπόρεσε να τα λύσει με τεχνολογία λέιζερ τελευταίας τεχνολογίας και ειδικά σχεδιασμένο multi-port. «Αυτό το πολυ-λιμάνι είναι η καρδιά του πειράματός μας και συνδυάζει τα τρία φωτόνια έτσι ώστε να εμπλέκονται σε τρεις διαστάσεις», εξηγεί ο Manuel Erhard.
Η ιδιότυπη ιδιότητα της εμπλοκής των τριών φωτονίων σε τρεις διαστάσεις επιτρέπει την πειραματική διερεύνηση νέων θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με τη συμπεριφορά των κβαντικών συστημάτων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας θα μπορούσαν επίσης να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις μελλοντικές τεχνολογίες, όπως η κβαντική τηλεμεταφορά.
«Πιστεύω ότι οι μέθοδοι και οι τεχνολογίες που αναπτύξαμε σε αυτή την μελέτη μας επιτρέπουν να τηλεμεταφέρουμε ένα υψηλότερο ποσοστό των συνολικών κβαντικών πληροφοριών ενός φωτονίου, το οποίο θα μπορούσε να είναι σημαντικό για κβαντικά δίκτυα επικοινωνίας», λέει ο Anton Zeilinger.
Επιμέλεια Κειμένου: Κατερίνα Καλτσά
Πηγή:
