חוקרים תיארו שיטה חדשה לבניית רשת קוונטית המשתרעת על פני הארץ על ידי שימוש במנחי אלומת ואקום, שבה קיוביטים יכולים לעבור אלפי קילומטרים בתוך צינורות קטנים אטומים בוואקום. קרדיט: twoday.co.il.com
גישה חדשה לרשתות קוונטיות כוללת שימוש בצינורות אטומים בוואקום עם עדשות מרווחות כדי להעביר נתונים קוונטיים דרך פוטונים למרחקים ארוכים. שיטה זו, שפותחה על ידי מדענים ב- אוניברסיטת שיקגו ומשתפי פעולה, שואפת לאפשר תקשורת קוונטית מאובטחת ובעלת קיבולת גבוהה על פני מרחקים עצומים.
מחשבים קוונטיים מציעים דרכים רבות עוצמה לשיפור אבטחת סייבר, תקשורת ועיבוד נתונים, בין תחומים אחרים. אולם כדי לממש את מלוא היתרונות הללו, יש לחבר מספר מחשבים קוונטיים כדי לבנות רשתות קוונטיות או אינטרנט קוונטי. מדענים נאבקו למצוא שיטות מעשיות לבניית רשתות כאלה, שחייבות להעביר מידע קוונטי למרחקים ארוכים.
כדי להפוך רשת קוונטית למציאות, חוקרים מקבוצת Jiang בבית הספר להנדסה מולקולרית של אוניברסיטת שיקגו הציעו לבנות תעלות קוונטיות ארוכות באמצעות צינורות אטומים בוואקום עם מערך של עדשות מרווחות. קרדיט: Jiang Group
תקשורת קוונטית חדשנית
כעת, חוקרים מבית הספר להנדסה מולקולרית של אוניברסיטת שיקגו פריצקר (PME) הציעו גישה חדשה – בניית תעלות קוונטיות ארוכות באמצעות צינורות אטומים בוואקום עם מערך של עדשות מרווחות. מובילי אלומת הוואקום הללו, בקוטר של כ-20 סנטימטרים, יהיו בעלי טווחים של אלפי קילומטרים ויכולות של 10 טריליון קיוביטים לשנייה, טוב יותר מכל גישת תקשורת קוונטית קיימת. פוטונים של נתונים קוונטיים המקודדים לאור יעברו דרך צינורות הוואקום ויישארו ממוקדים הודות לעדשות.
"אנחנו מאמינים שסוג זה של רשת אפשרי ויש לו פוטנציאל רב", אמר ליאנג ג'יאנג, פרופסור להנדסה מולקולרית ומחבר בכיר של העבודה החדשה. "זה לא יכול לשמש רק לתקשורת מאובטחת, אלא גם לבנייה מבוזרת מחשוב קוונטי רשתות, טכנולוגיות חישה קוונטיות מבוזרות, סוגים חדשים של טלסקופים ושעונים מסונכרנים".
ג'יאנג שיתף פעולה עם מדענים מאוניברסיטת סטנפורד והמכון הטכנולוגי של קליפורניה על העבודה החדשה, שפורסמה ב-9 ביולי ב- מכתבי סקירה פיזית.
בית הספר להנדסה מולקולרית של אוניברסיטת שיקגו פריצקר פרופ' ליאנג ג'יאנג סוקר את הרשת הקוונטית המוצעת באמצעות מדריכי אלומת ואקום, שתהיה לה טווחים של אלפי קילומטרים ויכולות של 10 טריליון קיוביטים לשנייה, טוב יותר מכל גישה של תקשורת קוונטית קיימת. קרדיט: בית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker / John Zich
מאפיינים קוונטיים והעברת נתונים
בעוד שמחשבים קלאסיים מקודדים נתונים בביטים קונבנציונליים – המיוצגים כ-0 או 1 – מחשבים קוונטיים מסתמכים על קיוביטים, שיכולים להפגין תופעות קוונטיות. תופעות אלו כוללות סופרפוזיציה – מעין שילוב מעורפל של מצבים – כמו גם הסתבכות, המאפשרת לתאם שני חלקיקים קוונטיים זה עם זה אפילו על פני מרחקים עצומים.
מאפיינים אלו נותנים למחשבים קוונטיים את היכולת לנתח סוגים חדשים של נתונים ולאחסן ולהעביר מידע בדרכים חדשות ומאובטחות. חיבור מחשבים קוונטיים מרובים יכול לגרום להם אפילו יותר חזק, מכיוון שניתן לאגד את יכולות עיבוד הנתונים שלהם. עם זאת, רשתות המשמשות בדרך כלל לחיבור מחשבים אינן אידיאליות מכיוון שאינן יכולות לשמור על המאפיינים הקוונטיים של קיוביטים.
"אי אפשר לשלוח מצב קוונטי דרך רשת קלאסית", הסביר ג'יאנג. "אתה יכול לשלוח פיסת נתונים באופן קלאסי, מחשב קוונטי יכול לעבד אותו, אבל התוצאה נשלחת בחזרה באופן קלאסי שוב."
כמה חוקרים בדקו דרכים להשתמש בכבלים סיבים אופטיים ולוויינים להעברת פוטונים אופטיים, שיכולים לפעול כקיוביטים. פוטונים יכולים לעבור מרחק קצר דרך כבלי סיבים אופטיים קיימים אך בדרך כלל מאבדים את המידע שלהם במהירות כאשר פוטונים נספגים. פוטונים שמקפצים ללוויינים וחוזרים לקרקע במיקום חדש נספגים פחות בגלל ואקום החלל, אבל השידור שלהם מוגבל על ידי קליטת האטמוספירה והזמינות של הלוויינים.
"מה שרצינו לעשות היה לשלב את היתרונות של כל אחת מהגישות הקודמות האלה", אמר יואקסון הואנג, הסטודנט לתואר שני ב-PME, המחבר הראשון של העבודה החדשה. "בוואקום, אתה יכול לשלוח הרבה מידע ללא הנחתה. אבל היכולת לעשות זאת בשטח תהיה אידיאלית".
"אנחנו מאמינים שסוג זה של רשת אפשרי ויש לו הרבה פוטנציאל."
— פרופ' ליאנג ג'יאנג
צינורות ואקום מבוססי קרקע ומידע קוונטי
מדענים העובדים במצפה הכבידה של גלי הכבידה (LIGO) במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) בנו צינורות ואקום ענקיים מבוססי קרקע כדי להכיל פוטונים נעים של אור שיכולים לזהות גלי כבידה. ניסויים ב LIGO הראו שבתוך ואקום כמעט נטול מולקולות, פוטונים יכולים לעבור אלפי קילומטרים.
בהשראת הטכנולוגיה הזו, החלו Jiang, Huang ועמיתיהם לשרטט כיצד ניתן להשתמש בצינורות ואקום קטנים יותר כדי להעביר פוטונים בין מחשבים קוונטיים. בעבודה התיאורטית החדשה שלהם, הם הראו שצינורות אלה, אם מתוכננים ומאורגנים כראוי, יכולים לשאת פוטונים ברחבי הארץ. יתר על כן, הם יצטרכו רק ואקום בינוני (לחץ 10^-4 אטמוספרה), שקל הרבה יותר לשמור על הוואקום האולטרה-גבוה (לחץ 10^-11 אטמוספירה) הנדרש עבור LIGO.
"האתגר העיקרי הוא שכא פוטון עובר בוואקום, זה מתפשט קצת", הסביר ג'יאנג. "כדי להתגבר על זה, אנו מציעים לשים עדשות כל כמה קילומטרים שיכולות למקד את האלומה למרחקים ארוכים ללא אובדן עקיפה."
בשיתוף עם חוקרים ב-Caltech, הקבוצה מתכננת ניסויים שולחניים כדי לבדוק את המעשיות של הרעיון, ולאחר מכן מתכננת להשתמש בצינורות ואקום גדולים יותר כמו אלו ב-LIGO כדי לעבוד על איך ליישר את העדשות ולייצב את קרני הפוטון למרחקים ארוכים .
"כדי ליישם את הטכנולוגיה הזו בקנה מידה גדול יותר, מסוימות מציבים כמה אתגרים הנדסיים אזרחיים שאנחנו צריכים להבין גם הם", אמר ג'יאנג. "אבל היתרון האולטימטיבי הוא שיש לנו רשתות קוונטיות גדולות שיכולות לתקשר עשרות טרה-בייט של נתונים בשנייה."
מימון: עבודה זו נתמכה על ידי מעבדת המחקר של הצבא, מעבדת המחקר של חיל האוויר, הקרן הלאומית למדע, מחקר NTT, קרן פקארד, תוכנית המחקר המשפחתי של מרשל וארלין בנט ומשרד האנרגיה האמריקאי.
