به گزارش ایسنا، دورنوردی کوانتومی در آستانه تغییر جهان است. این مفهوم شبیه به داستان‌های علمی-تخیلی به نظر می‌رسد؛ اینکه حالت کوانتومی یک سیستم بتواند به سیستمی دیگر در فاصله‌ای بسیار دور و با سرعتی نزدیک به سرعت نور منتقل، «تله‌پورت» یا «دورنوردی» شود.

این پدیده واقعی است و اثبات شده؛ هرچند در مقیاس‌هایی نسبتاً کوچک اثبات شده است، اما اگر قرار است رایانه‌های کوانتومی روزی در شبکه‌هایی بزرگ با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، به روشی برای ارسال حجم زیادی از اطلاعات کوانتومی به‌طور همزمان نیاز خواهند داشت و این یعنی نیاز به افزایش مقیاس و توسعه ظرفیت این فناوری.

یک دستاورد جدید، گام بعدی در مسیر توسعه پهنای باند کوانتومی محسوب می‌شود. تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی «جیه‌تای جینگ»(Jietai Jing) از دانشگاه نرمال شرق چین، موفق به انجام دورنوردی کوانتومی از طریق ۱۰۰ کانال همزمان شده‌اند؛ دستاوردی که با دورنوردی موفقیت‌آمیز اطلاعات کوانتومیِ نهفته در یک تصویر ۱۰۰ پیکسلی به اثبات رسید.

جینگ می‌گوید: تا آنجا که می‌دانیم، این در واقع بیشترین تعداد کانال‌های دورنوردی کوانتومی با قابلیت آدرس‌دهی مستقل است که تاکنون به‌طور همزمان به نمایش درآمده‌ است. در اصل، این معماری می‌تواند رابطی منعطف و با ظرفیت بالا برای شبکه‌های ارتباطی کوانتومیِ آینده فراهم کند.

مفهوم دورنوردی کوانتومی نخستین بار در سال ۱۹۹۳ مطرح شد و تنها چند سال بعد به‌صورت تجربی به اثبات رسید. این فرآیند برخلاف آنچه از نامش برمی‌آید، شامل ناپدید شدن ماده از یک مکان و پدیدار شدن دوباره آن در مکانی دیگر نیست، بلکه دورنوردی کوانتومی با استفاده از یک حالت درهم‌تنیده مشترک و ارتباطات کلاسیک، حالت کوانتومی یک سیستم را به سیستم دیگر منتقل می‌کند.

دانشمندان از زمان آن آزمایش‌های اولیه، حالت‌های کوانتومی را با استفاده از فوتون‌ها، اتم‌ها و کیوبیت‌های حالت جامد و در فواصلی بیش از ۱۰۰ کیلومتر و حتی از سطح زمین به ماهواره دورنوردی کرده‌اند، اما مسافت تنها یکی از جنبه‌هایی است که دورنوردی کوانتومی باید در آن توسعه یابد. ظرفیت انتقال داده، جنبه‌ای دیگر است.

بیشتر آزمایش‌های دورنوردی کوانتومی شامل یک کانال واحد یا تعداد نسبتاً کمی کانالِ مالتی‌پلکس‌شده(چندگانه) بوده‌اند. با این حال، یک شبکه کوانتومی در مقیاس بزرگ باید بتواند بسیاری از حالت‌های کوانتومی را به‌صورت موازی مدیریت کند.

انجام این کار دشوار است، زیرا هر کانالِ اضافی نیازمند یک منبع درهم‌تنیده متناظر است که دقیقاً با اطلاعات کوانتومیِ در حالِ دورنوردی مطابقت داشته باشد.

روش‌های مرسوم همچنین ممکن است برای هر کانال به آشکارسازی، پردازش الکترونیکی و ماژولاسیونِ جداگانه نیاز داشته باشند. هرچه تعداد کانال‌ها بیشتر شود، پیچیدگی تجهیزات نیز افزایش می‌یابد.

جینگ و همکارانش برای حل این مسئله، ۱۰۰ حالت نوریِ مجزا از نظر مکانی را در قالب یک شبکه ۱۰ در ۱۰ مرتب کردند. امکان کنترل مستقل هر یک از این حالت‌ها، عملاً ۱۰۰ کانال مجزای تله‌پورت کوانتومی را در اختیار پژوهشگران قرار می‌داد.

سپس محققان شبکه مشابهی از نور درهم‌تنیده ایجاد کردند و سیستمی تمام‌نوری ساختند که قادر بود تمام ۱۰۰ کانال را به‌صورت موازی پردازش کند. بدین ترتیب دیگر نیازی به سامانه‌های الکترونیکیِ جداگانه برای هر کانال نبود.

جینگ گفت: ما با غلبه بر این دو چالش، تله‌پورت کوانتومیِ ۱۰۰ حالت مکانی را با میزان وفاداری فراتر از حدِ کلاسیکِ متناظرشان پیاده‌سازی کردیم.

گام بعدی، آزمودن این سیستم بود و اینجاست که پای مفهوم «تصویر» به میان می‌آید. هرچند به گفته جینگ، نباید آن را به معنای تصویری دانست که از یک مکان ناپدید و در مکانی دیگر ظاهر می‌شود.

وی اظهار داشت: در آزمایش ما، تصویر در قالب آرایه‌ای ۱۰ در ۱۰ از حالت‌های نوریِ مکانی کدگذاری می‌شود. هر حالت را می‌توان به مثابه یک پیکسل در نظر گرفت. به‌طور دقیق‌تر، اطلاعاتی که از طریق دورنوردی کوانتومی منتقل می‌شوند، همان حالت کوانتومیِ متغیر پیوسته میدان نوری در هر حالت فضایی است که با مؤلفه‌های متعامد دامنه و فاز آن مشخص می‌شود.

وی افزود: الگوی شدتی که مجموعاً توسط تمام این حالت‌ها شکل گرفت، نمایانگر حرف «Q» بود.

به عبارت دیگر، هر یک از ۱۰۰ حالت نوری تا حدی مانند یک پیکسل عمل می‌کرد و بخشی از اطلاعات لازم برای تشکیل حرف Q را با خود حمل می‌کرد. این تیم پژوهشی، حالت کوانتومیِ کدگذاری‌شده در هر حالت را به‌صورت موازی دورنوردی کرد و الگو را در سمت گیرنده بازسازی نمود.

البته بازتولید حرف Q به تنهایی نشانه‌ وقوع دورنوردی کوانتومی نبود. پژوهشگران همچنین میزان انطباق حالت‌های کوانتومی در سمت گیرنده با حالت‌های ورودی را اندازه‌گیری کردند. این معیار با کمیتی به نام «وفاداری»(fidelity) سنجیده می‌شود که دامنه‌ای بین ۰ تا ۱ دارد و مقادیر بالاتر نشان‌دهنده‌ انطباق بیشتر است.

پژوهشگران در کلِ تصویر، به میانگین وفاداری ۰٫۶۰ دست یافتند. شاید این رقم چندان چشمگیر به نظر نرسد، مگر آنکه آن را با حد کلاسیکِ مربوطه، یعنی میانگین وفاداری ۰٫۵۲ که بدون کمک درهم‌تنیدگی کوانتومی قابل دستیابی است، مقایسه کنید.

پژوهشگران نشان دادند که وفاداریِ دورنوردی کوانتومی در تمام ۱۰۰ حالت فضایی، از حد کلاسیک فراتر رفته است.

این یافته نشان می‌دهد که با افزودن کانال‌های بیشتر، لزومی ندارد که فرآیند دورنوردی کوانتومی به‌مراتب پیچیده‌تر و دشوارتر شود.

جینگ می‌گوید: معماری ما به جای پیاده‌سازی یک سیستم تله‌پورت جداگانه برای هر کانال، امکان عملکرد موازی را در کل آرایه حالت‌های نوری فضایی فراهم می‌کند.

وی افزود: با افزایش ظرفیت و پیچیدگی شبکه‌های کوانتومی، این تمایز می‌تواند اهمیت فزاینده‌ای پیدا کند.

در نهایت، این رویکرد می‌تواند چیزی را که شبکه‌های کوانتومی به شدت به آن نیاز دارند، به آنها بدهد و آن، پهنای باند است که به اطلاعات کوانتومی مختلف اجازه می‌دهد تا به صورت موازی در چندین کانال حرکت کنند.

با این حال، فعلاً این سیستم جای رشد دارد. محققان می‌گویند که اندازه آرایه ۱۰ در ۱۰ آنها تا حد زیادی توسط تقریباً یک وات توان لیزر موجود برای پمپاژ آزمایش محدود شده است و لیزرهای قدرتمندتر می‌توانند امکان اضافه شدن حالت‌های فضایی بسیار بیشتری و بنابراین کانال‌های تله‌پورت بیشتر را فراهم کنند.

محققان می‌گویند: نتایج ما یک الگوی عالی برای دستیابی به ارتباطات کوانتومی مقیاس‌پذیر و انعطاف‌پذیر ایجاد می‌کند.

این یافته‌ها در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

انتهای پیام