Bilgiyi iletmek için elektrik akımından ziyade ışığa dayanan kuantum iletişim sistemlerini tasarlayan araştırmacılar; ikinci dereceden bir yüzle karşı karşıya kalıyorlar. Kuantum bilgisini depolayan ve işleyen optik bileşenler, tipik olarak, işlem görebilmek için, görünür ışık fotonları (ışık parçacıkları) gerektirir. Bununla birlikte, yalnızca 10 kat daha uzun dalga boylarına sahip kızılötesi yakın fotonlar bu bilgileri kilometrelik optik fiberler üzerinden taşıyabilir.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) araştırmacılar bu sorunu çözmek için yeni bir yol geliştirdiler. İlk defa, ekip kitlesel olarak üretilebilecek çip bazlı optik bileşenleri kullanarak, görünen ve bir yakın kızılötesi fotondan oluşan, kuantum-ilişkili çiftler yarattı. Bu foton çiftleri, her iki dünyanın da en iyisini bir araya getirir: Görünür ışık ortakları, her bir çiftin yakın kızılötesi üyeleri uzun mesafelerde yayılırken; tutulan atomlar, iyonlar veya bilgisayar belleğinin kuantum versiyonları olarak hizmet veren diğer sistemler ile etkileşime girebilir.
Başarı, ışığa dayalı devrelerin bilgileri uzak yerlere güvenli bir şekilde iletme kabiliyetini artırma sözü veriyor. NIST araştırmacıları Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan ve College Park’taki Maryland NanoCenter Üniversitesi’ndeki meslektaşları, görülebilir-hafif ve yakın kızılötesi fotonların belirli bir çiftini kullanarak dolaşıklık olarak bilinen kuantum korelasyonunu gösterdi. Bununla birlikte, araştırmacıların tasarım yöntemleri, ilgilenilen belirli sistemlere uyacak şekilde uyarlanmış diğer birçok görünür ışık / kızılötesi yakın çift oluşturmak için, kolayca uygulanabilir. Ayrıca, dolaştırıcıları oluşturan minyatür optik bileşenler çok sayıda üretilmektedir.
Kuantum mekaniğinin daha fazla sezgisel özelliklerinden biri olan kuantum dolaşıklığı; iki veya daha fazla foton veya başka parçacıklar, onlara bir ünite gibi davranacak kadar kendinden bağlı olacak şekilde hazırlandığı zaman meydana gelir. Dolaşık parçacıklardan birinin kuantum durumunu belirleyen bir ölçüm, iki parçacık evrenin karşıt taraflarında olsa bile, otomatik olarak diğerinin durumunu belirler. Dolaşıklık, kuantum hesaplama ve şifreleme dahil, pek çok kuantum bilgi şemasının merkezinde yer almaktadır.
Pek çok durumda, dolaşmış iki fotonun benzer dalga boyları veya renkleri vardır. Ancak NIST araştırmacıları kasıtlı olarak, renkleri çok farklı olan fotonlar arasında bir karışıklık çiftleri yaratmaya başladılar.
Kuantum Bilgi Depolama Sistemi
Srinivasan: “Atomik sistemlerde bilgi depolamak için iyi olan, görünür ışıklı fotonları ve yakın kızılötesi olan, düşük sinyal kaybına sahip optik fiberler arasında seyahat etmekte iyi olan telekomünikasyon fotonlarını birbirine bağlamak istedik.”
Fotonların çoğunun kuantum bilgi depolama sistemiyle etkileşime girmeye uygun hale getirilmesi için, ekibin ayrıca daha geniş ve daha dağınık bir dağılıma sahip olmak yerine; belirli bir dalga boyunda keskin bir şekilde doruğa ulaşması gerekiyordu.
Dolaşan çiftleri oluşturmak için, ekip, ses dalgalarının Londra’daki Aziz Paul Katedrali’ne benzeyen kubbe gibi eğri bir duvarın etrafındaki engelsiz bir duvar etrafında, (engelsiz hareket etmesine benzer şekilde) küçük bir yarış pisti etrafında ışığı yönlendiren özel olarak tasarlanmış bir optik “fısıldayan galeri” inşa etti. Akustik fısıldayan galeriler olarak bilinen bu tür kavisli yapılarda, duvarın bir kısmına yakın duran bir kişi, duvarın herhangi bir kısmından kaynaklanan soluk bir sesi kolayca duyar.
Seçilen bir lazer ışığı dalga boyu rezonatöre yönlendirildiğinde, görünür ışık ve kızılötesi yakın fotonların dolaşmış çiftleri ortaya çıktı. (Denemede kullanılan, zaman-enerji doyumu olarak bilinen spesifik dolaşma tipi, foton çiftlerinin enerjisini oluşturuldukları zamanla ilişkilendirir.)
Lu: “Bu fısıldayan galeri rezonatörlerini, çok az arka plan gürültüsü ve diğer yabancı ışıkla istediğimiz çok sayıda çift üretmek için nasıl tasarlayacağımızı bulduk.”
Araştırmacılar, telekomünikasyon fotonları birkaç kilometrelik optik fiberden geçtikten sonra bile dolaşmaların devam ettiğini doğruladı.
Gelecekte, dolaşmış çiftlerden ikisini, iki kuantum hafızası ile birleştirerek, foton çiftlerinde bulunan dolaşma kuantum hafızalarına aktarılabilir. Dolaşma takası olarak bilinen bu teknik; hatıraların normalde mümkün olabileceğinden çok daha uzun bir mesafede birbiriyle dolaştırılmasını sağlar.
Srinivasan: “Bizim katkımız, bu kadar uzun mesafeli dolaşma sağlayabilecek, doğru özelliklere sahip bir kuantum ışık kaynağının nasıl yapıldığını bulmaktı.”
