پیام مازند - دانشمندان آمریکایی موفق شدند برای نخستین‌بار، تمام قابلیت‌های کلیدی فوتونیک کوانتومی را در یک تراشهٔ کوچک جای دهند؛ گامی بزرگ به سوی تحقق اینترنت کوانتومی. در گامی مهم به‌سوی آینده‌ای متحول در ارتباطات و پردازش اطلاعات، پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک‌ریج آمریکا (ORNL) موفق به ساخت تراشه‌ای شده‌اند که برای نخستین بار قابلیت‌های کلیدی پردازش کوانتومی با نور را در یک تراشهٔ واحد و فشرده گرد هم آورده است.
به گزارش ایتنا و به نقل از سای‌تک‌دیلی، این دستاورد می‌تواند مسیر را برای ساخت اینترنت کوانتومی هموار کند؛ اینترنتی که از قوانین فیزیک کوانتومی بهره می‌برد و از لحاظ سرعت، امنیت و توان پردازشی فراتر از اینترنت امروزی خواهد بود.
گفتنی است این پژوهش در نشریهٔ علمی Optica Quantum منتشر شده و بر پایهٔ محاسبات کوانتومی با فوتون‌ها انجام گرفته است. فوتون‌ها، یعنی ذرات نور، در اینجا به عنوان حامل اطلاعات کوانتومی یا همان کیوبیت (qubit) به کار گرفته می‌شوند.
بر خلاف بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند صفر یا یک باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند همزمان در چند حالت قرار گیرند. این پدیده که «برهم‌نهی کوانتومی» نام دارد، باعث می‌شود اطلاعات بسیار پیچیده‌تری نسبت به سیستم‌های سنتی قابل رمزگذاری و انتقال باشد.
یک پلتفرم کوچک اما قدرتمند
جو لوکنز، نویسندهٔ ارشد این پژوهش و استاد دانشگاه پردو، می‌گوید: «ما اولین کسانی نیستیم که یکی از این اجزا را روی تراشه قرار داده‌ایم، اما نخستین گروهی هستیم که همهٔ این قابلیت‌های خاص را روی یک تراشهٔ واحد مجتمع کرده‌ایم. همین ویژگی می‌تواند راه را برای تولید انبوه و تجاری‌سازی آن باز کند.»
ساخت چنین تراشه‌ای، که عملکرد آن قابل مقایسه با ترانزیستورهای الکترونیکی رایج است، به معنای آن است که فناوری کوانتومی در حال خروج از محیط‌های آزمایشگاهی و تبدیل شدن به ابزاری کاربردی و قابل استفاده برای همه است.

کیوبیت‌های درهم‌تنیده؛ رمز اینترنت کوانتومی
پژوهشگران در این تراشه، کیوبیت‌ها را روی فوتون‌ها رمزگذاری کرده‌اند و زوج‌هایی از کیوبیت‌های درهم‌تنیده ساخته‌اند. درهم‌تنیدگی کوانتومی حالتی است که در آن دو ذره به‌گونه‌ای به هم متصل می‌شوند که حتی با وجود فاصله، خواص آن‌ها به هم وابسته باقی می‌ماند.
شایان ذکر است این تراشه توانسته است درهم‌تنیدگی قطبشی پهن‌باند ایجاد کند؛ قابلیتی که برای ساخت شبکه‌های کوانتومی بسیار حیاتی است. در این نوع درهم‌تنیدگی، اطلاعات از طریق جهت ارتعاش موج نور (قطبش) در طیف وسیعی از طول موج‌ها منتقل می‌شود.
بهره‌گیری از زیرساخت‌های فعلی
یکی از مزایای بزرگ این فناوری آن است که فوتون‌های تولیدشده با کابل‌های نوری رایج که در شبکه‌های مخابراتی فعلی به کار می‌روند، کاملاً سازگارند. این ویژگی می‌تواند هزینه‌های زیرساختی راه‌اندازی اینترنت کوانتومی را به‌شدت کاهش دهد.
گفته می‌شود فرآیند تولید و رمزگذاری این کیوبیت‌ها معمولاً هزینه‌بر و پیچیده است. اما فناوری فوتونیک مجتمع روی تراشه، مانند نمونهٔ ساخته‌شده توسط این گروه، می‌تواند گامی موثر در ساده‌سازی این مسیر باشد.
الکساندر میلوشفسکی، از اعضای تیم تحقیق، می‌گوید: «اگر بتوانیم تراشه‌ای بسازیم که تمام اجزای لازم برای ایجاد درهم‌تنیدگی قطبشی را در خود داشته باشد، کافی‌ست آن را مثل یک ماژول به شبکه وصل کنیم؛ دیگر نیازی به تجهیزات تخصصی و تراز کردن دقیق آن‌ها روی میز آزمایش نیست.»

اجزای کلیدی تراشه
تراشهٔ طراحی‌شده شامل اجزای پیشرفته‌ای همچون «رزوناتور حلقوی میکرو» است که امکان تولید زوج‌های فوتون درهم‌تنیده را فراهم می‌کند. همچنین قطعاتی به نام «جداکننده‌-چرخاننده‌های قطبش» در آن گنجانده شده‌اند که نور ورودی را بر اساس جهت قطبش به مسیرهای خروجی متفاوت هدایت می‌کنند. همین ترکیب از اجزا باعث شده تراشه بتواند مستقیماً درهم‌تنیدگی قطبشی پهن‌باند ایجاد کند.
رکوردشکنی در کانال‌های نوری
نتایج آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این تراشه می‌تواند بیش از 116 کانال نوری مختلف، یا به‌عبارتی رنگ‌های متفاوت نور، را برای انتقال فوتون‌ها به کار گیرد؛ رکوردی چشمگیر که بیش از 100 کانال آن دارای دقت بالا بوده‌اند.
گفتنی است استفاده از رزوناتورهای حلقوی در این تراشه، زمینه را برای ساخت کیوبیت‌های ابر-درهم‌تنیده نیز فراهم می‌کند. این نوع کیوبیت‌ها در بیش از یک بعد مانند رنگ و قطبش همزمان درهم‌تنیده‌اند.