Şaşırtıcı gelebilir ancak kuantum ağları kurarken karşılaşılan en inatçı sorunlardan biri kabloların engel oluşturması.
Günümüz internet trafiğinin büyük bölümünü taşıyan teknolojiyle aynı olan fiber optik kablolar, hassas kuantum bilgilerini uzun mesafelere iletebiliyor ancak bu kablolar fiziksel bir altyapı gerektiriyor ve belirli telekomünikasyon dalga boylarıyla en iyi şekilde çalışacak biçimde tasarlanıyor.
Kuantum teknolojilerinin başka dalga boylarında da çalışabilmesi, kuantum sinyallerinin ise fiber içindeki kayıplardan ve kesintilerden etkilenip katettiği mesafeyi sınırlayacak kadar hassas olması bir sorun yaratıyor.
Şimdi Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Stony Brook Üniversitesi araştırmacıları alternatif bir yöntem ortaya koydu.
Işığın kuantum durumlarını açık havada 21 kilometre boyunca gönderen araştırmacılar, ABD’de kendi türünde bir “ilk”e imza attı. Bu adım, hâlihazırda 259 kilometreye uzanan ve sekiz düğümü birbirine bağlayan ülkenin en uzun kuantum ağına kablosuz bir bileşen ekledi.
Kuantum Sinyallerini Gökyüzünden Göndermek
21 Ağustos tarihindeki gündüz gösterimi sırasında Stony Brook’taki Quantum Watchtower tesisinde çalışan araştırmacılar, her defasında yalnızca birkaç foton içeren ışığın kuantum durumları oluşturmak için lazer kullandı. Tesis, Stony Brook, New York’taki üniversitenin Health Sciences Center binasının çatısında yer alıyor.
Fotonlar, bir insan saç telinin genişliğinin onda birinden daha küçük, sadece 5 mikron çapındaki bir optik fiberden çıktı. Ardından atmosferde 21 kilometre yol alarak Upton, New York’taki Brookhaven’a ait Quantum Lighthouse tesisine ulaştı. Burada aşırı hızlı bir kamera fotonları başka bir minik optik fibere girerken tespit etti.
Geleneksel kablosuz teknoloji bir seçenek değildi. Radyo frekansları bu fotonların taşıdığı hassas kuantum bilgisini korumak için fazla gürültülüydü. Bu yüzden araştırmacılar bunun yerine ışığa yöneldi.
Ancak ışığı atmosferden göndermek başka bir sorunu beraberinde getiriyor: Atmosferik türbülans ışığın yolunu bozarak kuantum bilgisini karıştırabiliyor.
Ekip, atmosferik türbülansı telafi etmek; ışığı tam hassasiyetle toplamak ve kontrol etmek için teleskop teknolojisi ve uyarlanabilir optik kullanarak astronomi alanındaki uzmanlıktan yararlandı.
Brookhaven Lab’da (BNL) bilim insanı ve araştırmacılardan biri olan Justine Haupt, “İnsanlar teleskopları uzaya bakmaya yarayan araçlar olarak düşünüyor ancak gök bilimcilerin ışığı hassas bir şekilde toplamasını ve kontrol etmesini sağlayan aynı teknolojiler bu kuantum deneyleri için de hayati önem taşıyor.” dedi.
Araştırmacılar ayrıca, 21 kilometre mesafeyle ayrılmış ekipmanların tek bir deney gibi çalışabilmesi için çatıya özel tesisler kurmak ve optik sistemlerini, kontrol mekanizmalarını, iletişim ekipmanlarını, kuantum kaynaklarını ve dedektörleri entegre etmek zorunda kaldı.
Daha Büyük Test Dolanık Fotonları İçeriyordu
Gündüz deneyi, ışığın kuantum durumlarının yeni serbest uzay optik (FSO) bağlantısını geçebildiğini kanıtladı. Araştırmacılar ardından dolanık fotonları içeren daha zorlu bir teste geçti.
Arka plan ışığının daha düşük olduğu gece testlerinde, Stony Brook fizik laboratuvarından Quantum Watchtower tesisine fiber aracılığıyla dolanık fotonlar gönderdiler. Fotonlar daha sonra açık hava bağlantısı üzerinden dağıtıldı ve Quantum Lighthouse tesisinde başarıyla alınıp ölçüldü.
Dolanık fotonlar, parçacıklar uzun mesafelerle ayrılsa bile birbiriyle ilişkili kalan kuantum özelliklerine sahip. Bu durum, onları gelecekteki güvenli iletişim, kuantum algılama ve kuantum bilgisayarlarını birbirine bağlayan ağlar için umut verici kılıyor.
Stony Brook Kuantum Enstitüsü Direktörü ve araştırmacılardan biri olan Eden Figueroa bu konuda şunları söylüyor: “Uzun mesafeli fiber ağımızda rutin olarak dolanık foton çiftleri iletiyoruz ama bu tür fiber ağlar telekom dalga boylarının kullanımıyla sınırlı kalıyor.
Yeni kuantum kablosuz bağlantılarımızda, kuantum işlemcilerine ve buna bağlı teknolojilere özgü olan kızılötesi dalga boylarının kullanımını araştırıyoruz. Bu da uzun mesafelerde dolanık atomik sistemler oluşturmak için doğrudan bir yol sağlayacak.” diye ekliyor Figueroa.
Long Island’dan Yörüngeye
Yeni FSO bağlantısı fiberin yerini almayı hedeflemiyor. Bunun yerine kuantum ağlarının geleneksel kablolarla bağlanması zor olan yerlere ve cihazlara ulaşmasına yardımcı olabilir.
Ayrıca araştırmacılara ticari telekomünikasyon fiberinin tercih ettiği dalga boylarının ötesine erişim sağlayarak farklı dalga boylarında çalışan kuantum işlemcilerini ve diğer teknolojileri birbirine bağlamayı kolaylaştırabilir.
Ağın bir sonraki genişleme aşaması şimdiden geliştiriliyor. New Haven, Connecticut’taki Yale Üniversitesi bünyesinde üçüncü bir FSO tesisi tamamlandı. Stony Brook-Yale bağlantısı ise geliştirilme aşamasında.
Faaliyete geçtiğinde, araştırmacıların Long Island Sound üzerinden 48 kilometre boyunca dolanık fotonlar göndermesine olanak tanıyacak.
Araştırmacılar nihayetinde FSO ağını Brookhaven ve Stony Brook’taki kuantum bilgisayarlarını bağlamak için kullanmayı öngörüyor. Böylece münferit makinelerin çözmekte zorlanabileceği problemler üzerinde birlikte çalışabilecekler.
Uzun vadeli hedef, kuantum bilgisini Dünya atmosferi üzerinden uydulara göndermek. Böylelikle kapsamlı karasal telekomünikasyon altyapısı olmadan uzak konumların birbirine bağlanması mümkün olabilir.
Benzer deneyler fotonların uçaklardan yer istasyonlarına iletilebildiğini gösterdi; bu da mobil ve uydu tabanlı kuantum ağlarına işaret ediyor.
Kaynak: https://interestingengineering.com/science/building-quantum-network-in-open-air
