Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO)
Kuantum ışınlanma, kaynak olarak ‘kuantum dolanıklık’ diye bilinen bir olgunun yardımıyla, biri gönderici, başkası alıcı olmak üzere iki uzak kuantum objesi ortasında kuantum bilgisinin aktarılmasına imkan tanıyan bir tekniktir. Bu sürecin eşsiz özelliği ise iki tarafı birbirine bağlayan bir bağlantı kanalı üzerinden kuantum bitleri (yani, kübit’ler) yollanarak gerçek bilginin aktarılmıyor olmasıdır. Bunun yerine, bilgi bir yerde yok olur ve iki nokta ortasında fizikî biçimde hareket etmeksizin öbür noktada belirir. Bu şaşırtan özellik, klasik bitlerin iletiminin eşlik ettiği kuantum dolanıklık yoluyla işler.
Günümüzde kuantum bağlantısı ve kuantum ağları alanında, kuantum ışınlanmasına derin bir ilgi var; çünkü bu, daha evvelden yaratılan dolanıklığı kullanarak, kuantum bitlerinin ağ düğümleri boyunca çok uzak aralar ortasında aktarılmasına imkan tanıyacak. Bu ilerleme, kuantum teknolojilerinin var olan telekomünikasyon ağlarına dahil edilmesine yardım edecek ve bu sistemlerin sunduğu çok inançlı irtibatı çok uzun bir menzile kavuşturacak.
Kuantum ışınlanması, kuantum bilgisinin, örneğin ışık ve unsur ya da farklı kuantum düğümleri üzere farklı kuantum sistemleri ortasında aktarılmasına da imkan verecek.
KUANTUM IŞINLANMA, BİRİNCİ DEFA 90’LARDA GÜNDEME GELDİ
Kuantum ışınlanma, kuramsal olarak 1990’ların başında gündeme getirildi ve dünya çapında birkaç küme tarafından deneysel gösterimler gerçekleştirildi. Bilim dünyası bu deneylerin nasıl gerçekleştirileceği konusunda engin bir tecrübe kazanmış olsa bile, bilginin kolay bir biçimde nasıl ışınlanacağı ve genişletilmiş bir ağ üzerinde sağlam ve süratli kuantum irtibatının nasıl oluşturulacağı hakkında hâlâ yanıtlanmamış bir soru mevcut.
Bu cins bir altyapının, kullanımdaki bağlantı ağıyla uyumlu olması gerektiği bariz biçimde görülüyor. Buna ek olarak, kuantum ışınlanma protokolü, bilgiyi aslına uygun ve daha yüksek bir süratte aktarmak için ışınlanma ölçümünün (klasik bitlerle aktarılan) sonucuna bağlı olarak ışınlanan kübit üzerinde ‘aktif ileri besleme’ ismi verilen kesin bir sürecin gerçekleştirilmesini gerektirir. Bu süreç, alıcının, son süreç gerçekleştirilene dek kübit’e ziyan vermeden depolayabilen ve ‘kuantum bellek’ ismiyle bilinen bir aygıta gereksinim duyması demek. Son olarak, bu kuantum bellek, gönderici ve alıcı birbirinden uzak mesafelerdeyken ışınlanma bilgilerinin hızını en üst seviyeye çıkarmak için çoğullanmış bir biçimde çalışabilmeli. Şu ana dek hiçbir uygulama, bu üç ihtiyacı tıpkı deneye dahil etmemişti.
KULLANILAN TEKNİK, ‘AKTİF İLERİ BESLEME’ ŞEMASI İÇERİYOR
Kısa müddet evvel Nature Communications mecmuasında yayınlanan bir makalede, Fotonik Bilimler Enstitüsü’nde (ICFO) ICREA Profesörü olan Hugues de Riedmatten’in öncülüğündeki ICFO araştırmacıları Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac ve Samuele Grandi’den oluşan grup, kuantum bilgisinin uzun uzaklıklardaki bir fotondan katı hâl kübitine, çoğullanmış bir kuantum belleğinde depolanan bir fotona ışınlanmasını başardığını duyurdu.
Kullanılan teknik, belleğin çoklu modunun yanı sıra, ışınlanma suratının en üst düzeye çıkarılmasına imkan tanıyan bir ‘aktif ileri besleme’ şemasının kullanılmasını içeriyordu.
Önerilen yapı, bağlantı kanallarıyla uyumluydu ve bu sayede uzun uzaklıklar ortası kuantum irtibatı için gelecekteki entegrasyon ve ölçeklenebilirliği mümkün hale getirdi.
KUANTUM IŞINLANMA NASIL BAŞARILDI?
Araştırma takımı, bilimsel jargonda birçok vakit ‘Alice ve Bob’ diye isimlendirilen iki deney düzeneği hazırladı. İki heyetim, taraflar ortasındaki fizikî uzaklığı taklit etmek için bir makaraya sarılan 1 kilometre uzunluğundaki bir fiber optik kabloyla birbirine bağlandı.
Deneyde üç foton kullanıldı. Birinci heyetim olan Alice’te, grup birbirine dolanık halde iki foton yaratmak için özel bir kristal kullandı: sonuçta ortaya ‘sinyal fotonu’ diye isimlendirilen 606 nm’lik birinci foton ve bağlantı altyapısıyla uyumlu ‘avara fotonu’ ismi verilen ikinci foton çıktı.
Dario Lago, yaratılmalarının akabinde, “İlk 606 nm fotonu Alice’te tuttuk ve onu çoğullanmış bir katı hâl kuantum belleğinde saklayarak gelecekteki süreçlerde kullanmak maksadıyla bellekte koruduk. Alice’te yaratılan irtibat fotonunu da aldık ve Bob ismi verilen ikinci deney düzeneğine ulaştırmak için 1 km’lik optik fiber üzerinden gönderdik” dedi.
Bob isimli ikinci düzenekte, bilim insanlarının ışınlamayı amaçladıkları kuantum bitini kodlayacakları üçüncü bir foton yarattıkları öteki bir kristal daha mevcuttu. Üçüncü fotonun oluşturulmasının akabinde, ikinci foton Alice’den Bob’a ulaşmıştı ve ışınlanma deneyinin odağının gerçekleştiği yer burasıydı.
BİLGİ 1 KİLOMETREDEN DAHA UZAĞA IŞINLANDI
İkinci ve üçüncü fotonlar, Çan Durumu Ölçümü (BSM) diye bilinen sistemle birbirlerine müdahale etti. Bu ölçümün yarattığı tesir, ikinci ve üçüncü fotonun durumunu karıştırmaktı.
Birinci ve ikinci fotonun başlangıçta birbirine dolanık olması, yani ortak durumlarının yüksek oranda bağlantılı olması sayesinde, Çan Durumu Ölçümü’nün sonucu, üçüncü fotonda kodlanan bilgilerin 1 kilometre aralıktaki Alice’teki bir kuantum belleğinde depolanan birinci fotona aktarılması oldu.
Dario Lago ve Jelena Rakonjac, bu durumu şöyle açıkladı: “Daha evvel hiç temas halinde olmasa bile nitekim de birincisine dolanık olan ve üçüncü bir foton aracılığıyla birbirine bağlanan iki foton ortasında bilgiyi aktarabiliyoruz. Bu deneyi eşsiz kılan şey, birinci fotonu gerektiği kadar uzun bir müddetle depolayabilen çoğullanmış bir kuantum bellek kullanmamızda yatıyor; onun sayesinde, Alice etkileşimin gerçekleştiğini öğrendiğinde, ışınlanan bilgiyi protokolün gerektirdiği biçimde işleyebildik.”
Dario ve Jelena’nın kelam ettiği bu süreç, daha evvel ismi geçen ‘aktif ileri besleme’ tekniği idi. BSM’nin sonucuna bağlı biçimde, bellekte depolanmasının akabinde birinci fotona bir faz kayması uygulandı. Bu yolla, tıpkı durum birinci fotonda daimi olarak kodlanacaktı. Bu yapılmazsa, ışınlanma süreçlerinin yarısı boşa gidecekti.
Bununla birlikte, kuantum belleğin çok modlu oluşu, ışınlanan kübitin kalitesini azaltmaksızın, ortalarındaki 1 kilometrelik aralığın yarattığı hudutların ötesine geçerek ışınlanma suratını yükseltmelerine imkan sağladı. Genel olarak, bu süreç, yalnızca klasik donanımın hızıyla sonlu olan tek modlu bir kuantum belleğe kıyasla üç kat daha yüksek bir ışınlanma süratiyle neticelendi.
ÖLÇEKLENEBİLİRLİK VE ENTEGRASYON
Yine birinci defa bu küme tarafından 2021 yılında gerçekleştirilen, 10 metre aralıkla birbirinden ayrılan ve bağlantı dalga uzunluğunda bir foton tarafından onaylanan, iki çok modlu kuantum hafızanın dolanık hale gelmesini mümkün kıldıkları daha evvelki deney, bu deneyin öncüsüdür. Hugues de Riedmatten, bunu şöyle anlattı:
“Kuantum ışınlanma, geleceğin kuantum interneti açısından, yüksek kaliteli ve uzun aralıklı irtibatı mümkün kılmak noktasında büyük kıymet taşıyacak. Maksadımız, kuantum ışınlamayı, daha evvelden dağıtılan dolaşıklık aracılığıyla git gide daha karmaşık ağlar üzerinde gerçekleştirmek. Katı hâl kuantum düğümlerimizin katı hâli ve çoğullanmış yapısının irtibat ağıyla uyumlu olması, bunu, teknolojiyi kurulu fiber ağda uzak aralara yaymak için umut vaat eden bir yaklaşım haline getiriyor.”
Hâlihazırda daha fazla ilerleme planlanıyor. Takım bir yandan verimliliği ve oranları korurken, öbür yandan bu heyetimin menzilini çok daha uzun uzaklıklara genişletmek için mevcut teknolojiyi dönüştürmeye ve geliştirmeye odaklanıyor. Bunların yanı sıra, kuantum bilgisini uzakta bulunan taraflar ortasında dağıtabilecek ve geleceğin güzel işleyen kuantum internetine erişmek için, bu tekniği farklı tipten kuantum düğümleri ortasında bilgi transferi maksadıyla incelemeyi ve kullanmayı da amaçlıyorlar.
Yazının özgünü Science Daily sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)