دانشمندان مؤسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا (NIST) یک گام حیاتی بهسوی ساخت شبکههای ارتباط کوانتومی سراسری برداشتهاند—سیستمهایی که با پدیدههای منحصر به نظریه کوانتوم مانند برهمنهی و درهمتنیدگی (entanglement) کار میکنند تا بیتهای کوانتومی اطلاعات (qubit) را انتقال دهند و پردازش کنند.
برای ذخیره و انتقال داده، پژوهشگران معمولاً از جریان فوتونها استفاده میکنند—ذرات نوری که درون فیبرهای نوری حرکت میکنند. در شبکههای غیرکوآنتومی، اطلاعات با بیت رمزگذاری میشود که تنها میتواند مقدار صفر یا یک داشته باشد. شبکههای کوانتومی این امکان را فراهم میکنند تا چندین کامپیوتر کوانتومی با استفاده از «زبان طبیعی» خود یعنی کیوبیتها ارتباط برقرار کنند، که معمولاً بهصورت حالتهای فوتونی هستند که چنان درهمتنیدهاند که اندازهگیری ویژگی یکی باعث تعیین ویژگی دیگری میشود، حتی در فواصل بسیار دور.
اگرچه فوتونها (که با ویژگی موج توصیف میشوند) قادر به حمل کیوبیتها هستند، این درهمتنیدگی بهشدت شکننده است. برای حفظ این درهمتنیدگی، حالت فوتونی حرکتکننده در فیبر باید نهتنها از نویز پسزمینه عاری باشد، بلکه با فازی ثابت و مشخص به مقصد برسد—یعنی اوجهای موج نور باید نسبت به اوجهای یک منبع نور استاندارد ثابت بمانند. آشفتگیهایی تنها در حدود ۷۰۰ نانومتر (حدود طول موج نور قرمز) میتواند درهمتنیدگی را از بین ببرد.
سامانههای اندازهگیری کلاسیک میتوانند فاز نور را تثبیت کنند، اما به سیگنالهای نوری بسیار قوی نیاز دارند—میلیاردها فوتون در ثانیه—و به آشکارسازهای فوتوالکترونیک کلاسیک پیشرفته وابستهاند. اما این روشها برای سیستمهای ارتباط کوانتومی کاربرد ندارند، که نیازمند سیگنالهایی بسیار ضعیف هستند و توسط نور قوی بهسادگی مختل میشوند. سادهترین راهحل، کاهش شدت نور لیزر است اما این ممکن است دقت اندازهگیری فاز را کاهش دهد. بنابراین پرسش اصلی ایجاد میشود: چه میزان کاهش شدت نور ممکن است بدون قربانی کردن دقت فاز انجام شود؟
پژوهشگران NIST اکنون پاسخ این پرسش را از طریق روشی نوآورانه یافتهاند که بر تعامل بین یک منبع نور لیزر بسیار پایدار و نور بسیار ضعیف عبوری در شبکه کوانتومی تکیه دارد. از آنجا که نور لیزر مرجع فازی ثابت دارد، میتواند بهعنوان مرجع برای اندازهگیری فاز نور شبکه با استفاده از اصل تداخل (interference) عمل کند.
نور شبکه با نور مرجع در یک تقسیمکننده پرتو (beam splitter) ترکیب شده و به یک آشکارساز تکفوتونی (SPD) ارسال میشود:
- اگر نور شبکه دارای فاز هدف باشد، تداخل کامل مخرب رخ داده و هیچ فوتونی به آشکارساز نمیرسد—در نتیجه نیازی به اصلاح نیست.
- اگر نور شبکه فازش کمی متفاوت باشد، یک تعداد فوتون به آشکارساز میرسند. تعداد «کلیکها» نشاندهنده میزان اختلاف فاز بین نور شبکه و نور مرجع است و میزان اصلاح لازم را تعیین میکند.
اگر تداخل مخرب کامل باشد (قلهها و درههای نور مرجع دقیقاً قلهها و درههای نور شبکه را خنثی کنند)، نور مرجع فاز نوری که بعدها پیام کوانتومی را حمل میکند، تثبیت مینماید. اگر تداخل کامل نباشد، تعداد فوتونهای تشخیصدادهشده اختلاف فاز را نشان میدهد که سپس تنظیم و اصلاح میشود تا تداخل مخرب ایجاد و فاز تثبیت شود. این روش هم فاز فوتونها را اندازهگیری و همزمان حفظ میکند. از آنجا که اندازهگیری با نور بسیار ضعیف انجام میشود، این روش باعث اختلال در درهمتنیدگی حساس در شبکه کوانتومی نمیشود.
تیم NIST این روش را روی فیبر نوریای به طول بیش از ۱۲۰ کیلومتر که ایالت NIST را به دانشگاه مریلند در College Park متصل میکند، آزمایش کردهاست. در این آزمایش، با استفاده از شمارش فوتون جابهجا (displaced photon counting)، نهتنها نوسانات فاز اندازهگیری شد، بلکه تثبیت فازی حاصل شد. عدم قطعیت فاز تثبیتشده، بسیار کم است—قابل مقایسه با این که فاصله زمین تا ماه را در حد چند صد میکرومتر (عرض موی انسان) تثبیت کنیم.
این روش حتی زمانی که کمتر از یک میلیون فوتون در ثانیه به مقصد در فیبر میرسد، کار میکند. «این تقریباً ۱۰۰۰۰ برابر ضعیفتر از آن چیزیاست که تکنیکهای استاندارد لازم دارند»، شرح داد فیزیکدان NIST، جابیر ماراکاراکات واداککپوراییل. «این معادل تعداد فوتونهایی است که از یک پیکسل صفحه نمایش تلفن همراه وارد چشم شما میشوند».
پژوهشگرانی همچون سرگئی پولیاکوف از NIST و دانشگاه مریلند در College Park و دیگر همکاران از مؤسسه مشترک کوانتومی (JQI) یافتههای خود را در مجله Optica در ۲۳ آوریل ۲۰۲۵ منتشر کردند.
«دستیابی به کنترل فاز پایدار بدون آلودگی حالتهای کوانتومی با نور لیزر قوی، موانع بزرگی برای ارتباطات نوری فاین (faint) راه دور کوانتومی را برطرف کرد»، به گفته سرگئی پولیاکوف. «کنترل فاز با کمتر از یک میلیون فوتون در ثانیه بیسابقه است—و مانع حیاتی را از بین میبرد». این پیشرفت مسیر را برای آزمایشهای جدیدی باز میکند تا اصول نظریه کوانتوم کاوش شود و گامی کلیدی برای ساخت شبکههای کوانتومی مقیاسپذیر و مقاومتر به حساب میآید. «این ما را به آیندهای نزدیکتر میکند که در آن چند حسگر کوانتومی دور از هم میتوانند مانند یک حسگر عمل کنند و کامپیوترهای کوانتومی آزادانه اطلاعات کوانتومی را با هم به اشتراک بگذارند».
https://www.nist.gov/news-events/news/2025/07/nist-team-develops-technique-stabilize-phase-weak-light-signals-quantum
تهیه کننده: یسری طاهری، کارشناس مرکز اندازه شناسی، اوزان و مقیاس ها