Κβαντική συγχώνευση φέρνει κοντά φωτόνια.

Η συγχώνευση πληροφοριών από δύο φωτόνια, ή μονάδες φωτός, θα μπορούσε να ενισχύσει τις κβαντικές οπτικές τεχνολογίες.

Η κωδικοποίηση της πληροφορίας σε κβαντικά σωματίδια όπως τα φωτόνια, τα κβάντα του φωτός, θα μπορούσε να οδηγήσει σε ισχυρές νέες τεχνολογίες, όπως σε ταχύτατους κβαντικούς υπολογιστές και <άσπαστη> κβαντική κρυπτογράφηση. Μια μέθοδος για τη φόρτωση των πληροφοριών που μεταφέρονται από δύο φωτόνια σε ένα ενιαίο φωτόνιο, που περιγράφεται στο περιοδικό Nature Photonics, προτείνω έναν τρόπο για να ενισχύσει την αποτελεσματικότητα της μετάδοσης δεδομένων σε τέτοια συστήματα.

Η ροή δεδομένων στα συμβατικά δίκτυα οπτικών ινών συνήθως συνδυάζεται, με «πολυπλεξία», για την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου. Για παράδειγμα, τα ψηφιακά δεδομένα μπορούν να κωδικοποιούνται σε παλμούς φωτός διαφορετικών μηκών κύματος, τα οποία αποστέλλονται ταυτόχρονα κατά μήκος μιας και μόνο ίνας και διαχωρίζεται ξανά («απο-πολυπλεξία») στο άλλο άκρο.

Αυτή η δυνατότητα θα ήταν πάρα πολύ βολική στην τεχνολογία της κβαντικής πληροφορίας. Συνεπάγεται την ένωση των δεδομένων που μεταφέρονται από δύο ή περισσότερα «κβαντικά bits», ή qubits, σε ένα. Τα δύο qubits που καθένα φέρει ένα δυαδικό ψηφίο (1 ή 0) - κωδικοποιημένα, για παράδειγμα, στην πόλωση των φωτονίων - θα μπορούσε να αντικατασταθεί από ένα απλό φωτόνιο με τέσσερις πιθανές καταστάσεις, ικανό να προσδιορίζει δύο ψηφία.

Αλλά επειδή τα φωτόνια πραγματικά δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, είναι δύσκολο να μεταφέρει τα «περιεχόμενα» των δύο φωτονίων σε ένα. Εάν τα φωτόνια δεν θέλουν να μιλήσουν, πώς μπορούμε να μεταδώσουμε το μήνυμα;

Οι φυσικοί Lorenzo Marrucci του Πανεπιστημίου της Νάπολης Federico II και Fabio Sciarrino του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης και οι συνεργάτες τους έχουν επεξεργαστεί ένα τρόπο να επιτευχθεί η ανταλλαγή πληροφοριών. Πρόκειται για την τροφοδοσία δύο αρχικών φωτονίων σε λογικές πύλες - συσκευές που παράγουν δυαδικά σήματα εξόδου των οποίων οι τιμές εξαρτώνται από τις εισόδους.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια λογική πύλη που ονομάζεται Controled ΝΟΤ (CNOT) πύλη, η οποία δέχεται δύο bits εισόδου και εκπέμπει δύο bits εξόδου. Ένα bit, το οποίο ονομάζεται είσοδος ελέγχου, είναι αμετάβλητο στην έξοδο, αλλά το άλλο, που ονομάζεται η είσοδος στόχος, ενεργοποιείται (από 0 έως 1, ας πούμε), αν η είσοδος ελέγχου είναι 1.

Οι ερευνητές συνδύασαν δύο πύλες CNOT κατασκευασμένες από συστήματα καθρέφτες που χωρίζουν δέσμες φωτός που αντανακλούν εν μέρη τη δέσμη, ενώ μεταδίδουν το υπόλοιπο. Με τη χρήση πολωμένων φωτονίων ελέγχου και εισόδους στόχους, είναι σε θέση να εξάγουν ένα φωτόνιο εξόδου που φέρει όλες τις πληροφορίες των εισόδων. Έτσι ονόμασαν αυτή τη διαδικασία, κβαντική διαδικασία συνένωσης.

Εκτελώντας τη διαδικασία προς τα πίσω, οι ερευνητές πέτυχαν την αντίστροφη διαδικασία της «κβαντικής διάσπασης» - η εξαγωγή των δύο φωτονίων στην ίδια κατάσταση με εκείνα που είχαν αρχικά ενωθεί σε ένα. Αυτό αντιστοιχεί σε απο-πολυπλεξία σήματος.

Στις κβαντομηχανικές διαδικασίες, τα αποτελέσματα δεν μπορούν να προβλεφθούν τέλεια, αλλά μόνο με μια ορισμένη πιθανότητα. Αλλά οι ερευνητές απέδειξαν πειραματικά ότι το πείραμά τους - το οποίο περιλαμβάνει λέιζερ για να δημιουργήσει ακτίνες πολωμένου φωτός σε ένα δίκτυο οπτικών ινών, διαχωριστές ακτίνων και άλλες οπτικές συσκευές - δίνει αποτελέσματα που συμφωνούν απόλυτα με τις προβλέψεις τους.

"Είναι ένα πολύ ωραίο κομμάτι της δουλειάς που συνοδεύεται με μια έξυπνη λύση στο πρόβλημα αυτό", λέει ο Ian Walmsley, ένας ειδικός στην κβαντική οπτική στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, UK.

Ο Walmsley λέει ότι δεν πιστεύει ότι το έργο θα φέρει κβαντικούς υπολογιστές πολύ πιο κοντά προς το σήμαρα, όμως. "Δεν νομίζω ότι ένα από τα εμπόδια για την επόμενη γενιά κβαντικών υπολογιστών είναι προς αυτή την κατεύθυνση", λέει. Αλλά ο ίδιος θεωρεί ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να έχει πολύτιμες εφαρμογές στη βασική έρευνα της κβαντικής συμπεριφοράς.

Η μελέτη «θα δημιουργήσει σίγουρα περαιτέρω εξελίξεις στην κβαντική φωτονική», προσθέτει ο Brian Smith, ο οποίος εργάζεται επίσης σε τεχνολογίες κβαντικής οπτικής στην Οξφόρδη. "Η μεταφορά των κβαντικών πληροφοριών πρέπει να έχει σημαντικό αντίκτυπο στις προσεγγίσεις της κβαντικής πολυπλεξίας."

Πηγή, Scientific American

Απόδοση, Δ. Γιάκας