Στον απαιτητικό χώρο της κβαντικής τεχνολογίας, η ακρίβεια δεν είναι απλώς ζητούμενο, αλλά απόλυτη προϋπόθεση. Για χρόνια, οι επιστήμονες πάλευαν με ένα επίμονο πρόβλημα: πώς να δημιουργήσουν μια τέλεια ροή μεμονωμένων σωματιδίων φωτός (φωτονίων), χωρίς τις παρεμβολές που προκαλούνται από τα ίδια τα εργαλεία που τα παράγουν. Μια νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα ανατρέπει τα δεδομένα, προτείνοντας μια λύση που ακούγεται σχεδόν οξύμωρη: τη χρήση του ανεπιθύμητου «θορύβου» για τον καθαρισμό του σήματος.
Το παράδοξο της κβαντικής καθαρότητας
Η καρδιά των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών και των δικτύων ασφαλούς επικοινωνίας χτυπά στο ρυθμό των φωτονίων. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια και bits για την επεξεργασία δεδομένων, οι κβαντικές συσκευές βασίζονται στα qubits. Τα φωτονικά συστήματα, ειδικότερα, υπόσχονται ταχύτητες και ασφάλεια που φαντάζουν αδιανόητες με τη σημερινή τεχνολογία. Ωστόσο, υπάρχει ένα σημαντικό εμπόδιο: η ανάγκη για μια απολύτως καθαρή ροή μεμονωμένων φωτονίων.
Όταν οι ερευνητές χρησιμοποιούν laser για να διεγείρουν ένα άτομο ώστε να εκπέμψει ένα φωτόνιο, προκύπτουν συχνά δύο βασικά προβλήματα. Το πρώτο είναι η «σκέδαση laser» (laser scatter). Καθώς η δέσμη χτυπά τον στόχο της, παράγονται επιπλέον, ανεπιθύμητα φωτόνια που λειτουργούν ως παράσιτα, μειώνοντας την απόδοση του κυκλώματος, ακριβώς όπως ο στατικός ηλεκτρισμός μπορεί να διαταράξει μια ραδιοφωνική μετάδοση.
Το δεύτερο πρόβλημα πηγάζει από την ίδια την αντίδραση του ατόμου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αντί να εκπέμψει ένα και μοναδικό φωτόνιο, το άτομο απελευθερώνει δύο ή περισσότερα ταυτόχρονα. Αυτό το φαινόμενο καταστρέφει την κρίσιμη «ένα-προς-ένα» ακολουθία που απαιτείται για τις κβαντικές πράξεις, μετατρέποντας μια πειθαρχημένη διαδικασία σε χάος.
Μετατρέποντας το πρόβλημα σε λύση
Εδώ ακριβώς εντοπίζεται η καινοτομία της ομάδας του Πανεπιστημίου της Αϊόβα. Ο Matthew Nelson, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, μαζί με τον επίκουρο καθηγητή Ravitej Uppu, ανακάλυψαν μια απροσδόκητη σύνδεση μεταξύ αυτών των δύο εμποδίων. Παρατήρησαν ότι όταν ένα άτομο εκπέμπει πολλαπλά φωτόνια, το φάσμα και η κυματομορφή αυτών των «λαθών» ταιριάζουν σχεδόν απόλυτα με εκείνα του ανεπιθύμητου φωτός που σκεδάζεται από το λέιζερ.
Αυτή η ομοιότητα οδήγησε σε μια θεωρητική ανακάλυψη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Optica Quantum. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι, αντί να προσπαθούν να εξαλείψουν τον θόρυβο του laser, μπορούν να τον χρησιμοποιήσουν στρατηγικά. Ρυθμίζοντας με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά της δέσμης laser, μπορούν να κάνουν τα δύο σήματα να αλληλοεξουδετερωθούν.
«Δείξαμε ότι η αδέσποτη σκέδαση λέιζερ, η οποία τυπικά θεωρείται ενοχλητική, μπορεί να αξιοποιηθεί για να ακυρώσει την ανεπιθύμητη εκπομπή πολλαπλών φωτονίων», εξηγεί ο Ravitej Uppu. Με απλά λόγια, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τον έναν «εχθρό» για να εξουδετερώσουν τον άλλον, αφήνοντας πίσω μόνο το καθαρό, επιθυμητό σήμα.
Η αναλογία της «ουράς»
Για να γίνει κατανοητή η σημασία αυτής της διαδικασίας, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ένα απλό παράδειγμα από την καθημερινότητα. Φανταστείτε μια ομάδα μαθητών σε ένα κυλικείο. Αν οι μαθητές περνούν ένας-ένας από το ταμείο, η διαδικασία είναι γρήγορη, οργανωμένη και εύκολα διαχειρίσιμη. Αν όμως προσπαθήσουν να περάσουν όλοι μαζί σαν όχλος, προκαλείται συμφόρηση και λάθη.
Στην κβαντική πληροφορική, η «γραμμή» των μεμονωμένων φωτονίων εξασφαλίζει ότι η πληροφορία μεταδίδεται σωστά. Επιπλέον, ενισχύει την ασφάλεια, καθώς μια τακτοποιημένη ροή είναι πολύ πιο δύσκολο να υποκλαπεί χωρίς να γίνει αντιληπτή η παρέμβαση, σε σχέση με ένα άτακτο πλήθος σημάτων.
Ο ρόλος της γεωμετρίας και της ρύθμισης
Το κλειδί για την επιτυχία της μεθόδου βρίσκεται στον απόλυτο έλεγχο της πηγής φωτός. Ο Uppu τονίζει πως αν ελεγχθεί ακριβώς ο τρόπος που η δέσμη laser χτυπά το άτομο —η γωνία πρόσπτωσης, το σχήμα της δέσμης και άλλες παράμετροι— τότε η ακύρωση των ανεπιθύμητων φωτονίων καθίσταται δυνατή. «Θα μας έμενε μια ροή που είναι πραγματικά πολύ αγνή», σημειώνει χαρακτηριστικά.
Αυτή η προσέγγιση είναι ιδιαίτερα ελκυστική γιατί αντιμετωπίζει ταυτόχρονα δύο από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην ανάπτυξη ταχύτερων φωτονικών κυκλωμάτων. Δεν απαιτεί περίπλοκο πρόσθετο εξοπλισμό φιλτραρίσματος, αλλά μια έξυπνη διαχείριση των υπαρχόντων πόρων του συστήματος.
Το μέλλον της έρευνας
Η μελέτη παραμένει προς το παρόν σε θεωρητικό επίπεδο, αλλά τα θεμέλια έχουν τεθεί. Η ομάδα σχεδιάζει ήδη τα επόμενα βήματα για να επιβεβαιώσει τα ευρήματα πειραματικά. Εάν η θεωρία επιβεβαιωθεί στην πράξη, θα μπορούσε να επιταχύνει δραματικά την υιοθέτηση των κβαντικών τεχνολογιών σε πραγματικές εφαρμογές, από την κρυπτογράφηση τραπεζικών δεδομένων μέχρι την επίλυση πολύπλοκων επιστημονικών προβλημάτων που είναι αδύνατον να διαχειριστούν οι σημερινοί υπερυπολογιστές.
