Kvant tarmoqlari uchun yangi yondashuv vakuum bilan muhrlangan quvurlarni masofali joylashtirilgan linzalar bilan ishlatib, kvant ma'lumotlarni fotonlar orqali uzoq masofalarga uzatishni o'z ichiga oladi. Ushbu usul Chikago Universiteti va hamkorlari tomonidan ishlab chiqilgan bo'lib, keng masofalar bo'ylab xavfsiz va yuqori sig‘imli kvant aloqasini ta'minlashni maqsad qilgan.

Kvant kompyuterlari kiberxavfsizlik, aloqa va ma'lumotlarni qayta ishlash kabi sohalarni kuchaytirish uchun kuchli imkoniyatlarni taklif etadi. Ammo bu to'liq imkoniyatlarni amalga oshirish uchun bir nechta kvant kompyuterlarini ulab, kvant tarmoqlari yoki kvant internetini yaratish kerak. Olimlar bunday tarmoqlarni qurishning amaliy usullarini topishda qiynalib kelmoqdalar, chunki kvant ma'lumotlarni uzoq masofalarga uzatish kerak bo‘ladi.

Kvant aloqasidagi innovatsiyalar

Chikago Universiteti Pritzker Molekulyar Muhandislik maktabi (PME) tadqiqotchilari yangi yondashuvni taklif qilishdi — vakuum bilan muhrlangan quvurlar va masofali joylashtirilgan linzalardan foydalanib, uzun kvant kanallarini qurish. Ushbu vakuum nurlari yo‘riqchilari, diametri taxminan 20 santimetr bo‘lib, minglab kilometr masofaga va soniyasiga 10 trillion qubit sig‘imiga ega bo‘lishi mumkin, bu mavjud kvant aloqa usullaridan yaxshiroqdir. Kvant ma'lumotlarini kodlaydigan yorug‘lik fotonlari vakuum quvurlari orqali harakatlanadi va linzalar yordamida fokusda qoladi.

“Biz bunday tarmoqning amalga oshirilishi mumkin va katta potensialga ega ekanligiga ishonamiz,” dedi Liang Jiang, molekulyar muhandislik professori va yangi ishning bosh muallifi. “Bu nafaqat xavfsiz aloqa uchun, balki taqsimlangan kvant hisoblash tarmoqlarini qurish, taqsimlangan kvant sezgich texnologiyalari, yangi turdagi teleskoplar va sinxronlashtirilgan soatlar uchun ham foydalanilishi mumkin.”

Jiang Stanford Universiteti va Kaliforniya Texnologiya Instituti olimlari bilan hamkorlikda ishladi va yangi ish 9-iyul kuni Physical Review Letters jurnalida chop etildi.

Kvant xossalari va ma'lumot uzatish

Klassik kompyuterlar ma'lumotlarni an'anaviy bitlarda — 0 yoki 1 ko'rinishida kodlasa, kvant kompyuterlari qubitlarga tayanadi, ular kvant hodisalarini namoyish qilishi mumkin. Ushbu hodisalar qatoriga superpozitsiya — holatlarining noaniq kombinatsiyasi va entanglement — ikkita kvant zarrachalarining katta masofalardan ham bir-biri bilan bog'lanishiga imkon beruvchi holat kiradi.

Ushbu xossalar kvant kompyuterlarga yangi turdagi ma'lumotlarni tahlil qilish va ma'lumotlarni yangi, xavfsiz usullarda saqlash va uzatish imkonini beradi. Bir nechta kvant kompyuterlarini ulash ularni yanada kuchli qiladi, chunki ularning ma'lumotlarni qayta ishlash qobiliyatlari birlashtiriladi. Biroq, odatda kompyuterlarni ulash uchun ishlatiladigan tarmoqlar qubitlarning kvant xossalarini saqlay olmaydi.

“Siz kvant holatini klassik tarmoq orqali uzata olmaysiz,” deb tushuntirdi Jiang. “Siz ma'lumotning bir qismini klassik tarzda yuborishingiz mumkin, kvant kompyuteri uni qayta ishlaydi, lekin natija yana klassik tarzda yuboriladi.”

Ba'zi tadqiqotchilar qubit sifatida harakat qilishi mumkin bo'lgan optik fotonlarni uzatish uchun optik tolali kabellar va sun'iy yo'ldoshlarni ishlatish usullarini sinab ko'rishgan. Fotonlar mavjud optik tolali kabellar orqali qisqa masofani bosib o'tishi mumkin, lekin umuman olganda fotonlar yutilgani uchun ma'lumotlarini tezda yo'qotadi. Fotonlar sun'iy yo'ldoshlarga sakrab va yangi joyda yerga qaytariladi, kosmosning vakuumi tufayli kamroq yutiladi, lekin ularning uzatilishi atmosfera yutilishi va sun'iy yo'ldoshlarning mavjudligi bilan cheklangan.

“Biz avvalgi yondashuvlarning afzalliklarini birlashtirishni xohladik,” dedi PME magistranti Yuexun Huang, yangi ishning birinchi muallifi. “Vakuumda siz ko'p ma'lumotni yutqazmasdan yuborishingiz mumkin. Ammo buni er yuzida amalga oshirish ideal bo'lardi.”

Yerga o‘rnatilgan vakuum quvurlari va kvant ma'lumotlari

Kaliforniya Texnologiya Instituti (Caltech)ning Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) da ishlaydigan olimlar harakatlanayotgan yorug'lik fotonlarini o'z ichiga oladigan katta vakuum quvurlarini yaratdilar, bu orqali gravitatsion to'lqinlarni aniqlash mumkin. LIGO dagi tajribalar shuni ko'rsatdiki, molekulalarga deyarli to‘la bo‘lmagan vakuum ichida fotonlar minglab kilometrga sayohat qilishi mumkin.

Ushbu texnologiyadan ilhomlangan holda, Jiang, Huang va ularning hamkasblari kichikroq vakuum quvurlaridan fotonlarni kvant kompyuterlari o'rtasida tashish uchun qanday foydalanish mumkinligini chizib bera boshladilar. Ularning yangi nazariy ishlarida, agar bu quvurlar to'g'ri loyihalashtirilgan va joylashtirilgan bo'lsa, ular fotonlarni butun mamlakat bo'ylab tashishi mumkinligini ko'rsatdilar. Bundan tashqari, ularga faqat o‘rtacha vakuum (10^-4 atmosfera bosimi) kerak bo‘ladi, bu LIGO uchun talab qilinadigan juda yuqori vakuumga (10^-11 atmosfera bosimi) qaraganda ancha oson saqlanadi.

“Asosiy muammo shundaki, foton vakuum orqali harakatlanayotganda, u biroz tarqaladi,” deb tushuntirdi Jiang. “Bunga qarshi turish uchun, biz har bir necha kilometrda linzalarni qo'yishni taklif qilamiz, bu uzoq masofalarda nurni fokuslashga yordam beradi va difraktsiya yo'qotilishini oldini oladi.”

Caltech tadqiqotchilari bilan hamkorlikda, guruh ushbu g‘oyaning amaliyligini sinab ko'rish uchun kichik stol ustidagi tajribalarni rejalashtirmoqda, so'ngra LIGO dagi kabi kattaroq vakuum quvurlaridan foydalanib, linzalarni qanday moslashtirish va foton nurlarini uzoq masofalarda barqarorlashtirish ustida ishlashni rejalashtirmoqda.

“Ushbu texnologiyani keng miqyosda amalga oshirish ba'zi fuqarolik muhandisligi muammolarini keltirib chiqaradi, biz ularni ham hal qilishimiz kerak,” dedi Jiang. “Lekin oxirgi foyda shundaki, biz soniyasiga o‘nlab terabayt ma'lumotlarni uzatish imkoniyatiga ega bo'lgan katta kvant tarmoqlariga ega bo'lamiz.”

Manba: “Katta miqyosli kvant tarmoqlari uchun vakuum nurlari yo‘riqchisi” mualliflar: Yuexun Huang, Francisco Salces–Carcoba, Rana X. Adhikari, Amir H. Safavi-Naeini va Liang Jiang, 2024 yil 9-iyul, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801

Moliyalashtirish: Ushbu ish Armiya Tadqiqot Laboratoriyasi, Havo Kuchlari Tadqiqot Laboratoriyasi, Milliy Fanlar Jamg'armasi, NTT Tadqiqot, Packard Jamg'armasi, Marshall va Arlene Bennett Oilaviy Tadqiqot Dasturi hamda AQSh Energetika Departamenti tomonidan qo'llab-quvvatlandi.

Manbaa: SciTechDaily