Κβαντική Φυσική – Τεχνολογία: Στο δρόμο για το κβαντικό Internet ερευνητές πέτυχαν τηλεμεταφορά φωτονίου σε απόσταση 6 χιλιομέτρων

Στο πλαίσιο μιας συνεργασίας μεταξύ του Πανεπιστημίου του Calgary, της πόλης του Calgary και ερευνητών από τις ΗΠΑ, μια ομάδα φυσικών υπό την ηγεσία του Wolfgang Tittel (φωτογραφία), καθηγητή στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Calgary, επέδειξε με επιτυχία τηλεμεταφορά ενός φωτονίου (στοιχειώδες σωμάτιο φωτός) σε απόσταση 6 χιλιομέτρων, χρησιμοποιώντας την υποδομή οπτικών ινών της πόλης του Calgary. Το πρόγραμμα ξεκίνησε το 2014.

Το επίτευγμα, το οποίο είναι ένα νέο ρεκόρ για απόσταση μεταφοράς μιας κβαντικής κατάστασης με τηλεμεταφορά, έχει προσφέρει στους ερευνητές μια θέση στο υψηλού κύρους επιστημονικό περιοδικό Nature Photonics. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν μαζί με μια παρόμοια επίδειξη από μια ομάδα Κινέζων ερευνητών. «Ένα τέτοιο δίκτυο θα επιτρέπει ασφαλείς επικοινωνίες χωρίς το φόβο παρακολούθησης και επιτρέπει τη σύνδεση μεταξύ απομακρυσμένων κβαντικών υπολογιστών», δήλωσε ο Tittel.

Το πείραμα βασίζεται στην ιδιότητα της διεμπλοκής της κβαντομηχανικής, γνωστή επίσης ως «στοιχειωμένη δράση από απόσταση», κατά τον αφοριστικό χαρακτηρισμό του Einstein, μια ιδιότητα τόσο μυστήρια που ο ίδιος δεν μπορούσε να την αποδεχθεί. «Το να είναι διεμπλεκόμενα σημαίνει ότι τα δυο φωτόνια, τα οποία διαμορφώνουν ένα διεμπλεκόμενο ζεύγος, έχουν ιδιότητες που είναι συνδεδεμένες, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκεται το ένα από το άλλο», εξηγεί ο Tittel. «Όταν ένα από τα φωτόνια στάλθηκε στο Δημαρχείο, παρέμεινε διεμπλεκόμενο με το φωτόνιο που έμεινε στο Πανεπιστήμιο του Calgary».

Στη συνέχεια, το φωτόνιο του οποίου η κατάσταση τηλεμεταφέρθηκε στο Πανεπιστήμιο, δημιουργήθηκε σε μια τρίτη τοποθεσία στο Calgary και μετά ταξίδεψε επίσης προς το Δημαρχείο, όπου συνάντησε το φωτόνιο που ήταν μέρος του διεμπλεκόμενου ζεύγους. «Αυτό που συνέβη είναι η ακαριαία και άυλη μεταφορά κβαντικής κατάστασης του φωτονίου στο παραμένον φωτόνιο του διεμπλεκόμενου ζεύγους, που είναι αυτό που παρέμεινε έξι χιλιόμετρα μακριά, στο πανεπιστήμιο», είπε ο Tittel.

Οι τρεις τοποθεσίες στην πόλη του Calgary στις οποίες εξελίχθηκε το πείραμα: Η τοποθεσία Β είναι το Πανεπιστήμιο του Calgary και η τοποθεσία C είναι ένα κτίριο δίπλα στο Δημαρχείο στο κέντρο του Calgary. Η απόσταση τηλεμεταφοράς – την περίπτωσή μας η απόσταση μεταξύ C και B είναι 6,2 Km.

Η έρευνα δεν θα ήταν δυνατή χωρίς πρόσβαση στην καθαρή τεχνολογία. Ένα από τα κρίσιμα τμήματα της υποδομής που υποστηρίζουν την κβαντική δικτύωση είναι η διαθέσιμη σκοτεινή ίνα. Η σκοτεινή ίνα, που ονομάζεται έτσι εξαιτίας της σύνθεσής της – ένα μονό οπτικό καλώδιο χωρίς ηλεκτρονικά ή εξοπλισμό δικτύου σε σειρά – που δεν προκαλεί παρεμβολές στην κβαντική τεχνολογία. Την σκοτεινή ίνα κατασκευάζει και υποστηρίζει η Πόλη του Calgary για να διαθέσει τις δημοτικές υπηρεσίες σήμερα και στο μέλλον.

Σαν να μην ήταν μια σημαντική πρόκληση η τηλεμεταφορά ενός φωτονίου, ο Tittel και η ομάδα του αντιμετώπισαν μια σειρά και από άλλα εμπόδια: Λόγω των αλλαγών της εξωτερικής θερμοκρασίας, ο χρόνος μετάδοσης των φωτονίων από το σημείο δημιουργίας τους στο Δημαρχείο μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της μέρας – ο χρόνος που χρειάστηκαν οι ερευνητές να συγκεντρώσουν επαρκή στοιχεία για να υποστηρίξουν τον ισχυρισμό τους. Αυτές οι αλλαγές σήμαιναν ότι τα δυο φωτόνια δεν θα συναντιόνταν στο Δημαρχείο. «Η πρόκληση ήταν να κρατήσουμε συγχρονισμένο το χρόνο άφιξης των φωτονίων μέσα στα 10 pico-seconds», λέει ο Tittel. «Το ένα pico-second είναι ένα τρισεκατομμυριοστό ή ένα εκατομμυριοστό του ενός εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου».

Άλλο εμπόδιο ήταν η μεταφορά τμημάτων του εργαστηρίου στις δυο τοποθεσίες στην πόλη, που όπως εξηγεί ο Tittel ήταν ιδιαίτερα δύσκολο για το σταθμό μέτρησης στο Δημαρχείο στον οποίο περιλαμβάνονταν οι τελευταίας λέξης της τεχνολογίας υπεραγώγιμοι ανιχνευτές απλών φωτονίων που αναπτύχθηκαν από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας και το Εργαστήριο Αεριώθησης της NASA. «Καθώς αυτοί οι ανιχνευτές λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες μικρότερες από ένα βαθμό επάνω από το απόλυτο μηδέν ο εξοπλισμός περιελάμβανε και συμπαγή κρυοστάτη», είπε ο Tittel.

Αυτή η επίδειξη είναι αναμφισβήτητα μια από τις πιο εντυπωσιακές εκδηλώσεις μιας αινιγματικής πρόβλεψης της κβαντομηχανικής, αλλά ανοίγει επίσης το δρόμο για την κατασκευή ενός μελλοντικού κβαντικού διαδικτύου, πράγμα που αποτελεί το μακροπρόθεσμο στόχο της ομάδας του Tittel.

Πηγή: University of Calgary

Περισσότερα στη δημοσίευση: Quantum teleportation across a metropolitan fibre network. Nature Photonics (2016)