นักวิทยาศาสตร์เทเลพอร์ตข้อมูล นำควอนตัมอินเทอร์เน็ตเข้าใกล้ขึ้นอีกก้าว

วันหนึ่งเทคโนโลยีการสื่อสารควอนตัมสามารถเปิดใช้งานอินเทอร์เน็ตควอนตัมที่มีความปลอดภัยสูง แต่จนถึงตอนนี้การสร้างการเชื่อมโยงในเครือข่ายขนาดใหญ่ดังกล่าวได้พิสูจน์แล้วว่าท้าทาย ความก้าวหน้าในความสามารถในการส่งผ่านข้อมูลควอนตัมอาจเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มในอนาคต

เหตุผลที่หลายคนรู้สึกตื่นเต้นเกี่ยวกับเครือข่ายการสื่อสารควอนตัมในอนาคตคือความจริงที่ว่าโดยพื้นฐานแล้วการดักฟังข้อความที่เข้ารหัสในสถานะควอนตัมนั้นเป็นไปไม่ได้ นั่นเป็นเพราะการอ่านสถานะควอนตัมของอนุภาคทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งหมายความ ว่าเป็นการ ง่ายที่จะตรวจพบว่ามีใครแอบดูลิงก์การสื่อสารหรือไม่

การขนส่งสถานะควอนตัมในระยะทางที่สำคัญจริง ๆ นั้นค่อนข้างยุ่งยาก นักวิจัยประสบความสำเร็จในการส่งข้อความที่ผูกติดอยู่กับ โฟตอนของโฟตอนบน สายเคเบิลออปติกหลายร้อยไมล์ และยังใช้การสื่อสารควอนตัมดาวเทียมเพื่อสร้างการเชื่อมโยงใน ระยะ ทางที่ ไกลกว่า นั้นอีก แต่การสูญเสียสัญญาณที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในโหมดการสื่อสารใดโหมดหนึ่งหมายความว่าการขยายระยะทางที่จำเป็นสำหรับอินเทอร์เน็ตจริงจะเป็นเรื่องยาก

วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือการใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมอื่นที่เรียกว่าการเคลื่อนย้ายทางไกล การทำงานนี้เหมือนกับแนวคิด Sci-Fi ที่ใช้ในรายการอย่าง Star Trek ซึ่งช่วยให้ส่งข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ทันที ตามทฤษฎีในระยะทางไม่จำกัด และตอนนี้ นักวิจัยจากเนเธอร์แลนด์ได้ให้การสาธิตเชิงปฏิบัติครั้งแรกเกี่ยวกับวิธีการทำงานดังกล่าว

ทีมงานได้ตั้งค่า “โหนด” ควอนตัมสามตัวที่เรียกว่า Alice, Bob และ Charlie ซึ่งสามารถจัดเก็บข้อมูลควอนตัมใน qubits ซึ่งเทียบเท่ากับควอนตัมของบิตในคอมพิวเตอร์ที่ทำจากศูนย์ว่างไนโตรเจน นี่เป็นข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ในเพชรที่สามารถดักจับอิเล็กตรอนและเปลี่ยนสถานะควอนตัมได้ จากนั้นพวกเขาก็เชื่อมต่ออลิซกับบ็อบและบ็อบกับชาร์ลีโดยใช้เส้นใยแก้วนำแสง

เป้าหมายของการทดลองที่อธิบายไว้ใน บทความเรื่อง Nature คือ การเคลื่อนย้ายข้อมูลควอนตัมระหว่างอลิซและชาร์ลี ซึ่งไม่ได้เชื่อมต่อถึงกันโดยตรง ในการทำเช่นนั้น ก่อนอื่นพวกเขา ต้อง สร้างการเชื่อมโยงการเคลื่อนย้ายทางไกลระหว่างทั้งสอง สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ควอนตัมของการพัวพัน ซึ่งสถานะของระบบควอนตัมเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก ดังนั้นการวัดค่าใดค่าหนึ่งจะเปลี่ยนสถานะของอีกสถานะหนึ่งโดยอัตโนมัติ ไม่ว่าจะห่างกันแค่ไหน

โปรโตคอล เริ่มต้นด้วยการใช้การดำเนินการควอนตัมเพื่อพัวพันกับอิเล็กตรอนในโหนดของอลิซด้วยโฟตอน จากนั้นใยแก้วนำแสงก็ส่งใยแก้วนำแสงไปยังบ็อบที่เข้าไปพัวพันกับอิเล็กตรอนในโหนดของเขา ซึ่งสร้างการพัวพันระหว่างคิวบิตของเขากับอลิซ บ็อบยังต้อง สร้าง ความ สัมพันธ์กับชาร์ลีด้วย ดังนั้นเขาจึงย้ายสถานะที่พันกันซึ่งเชื่อมโยงเขากับอลิซไปเป็นอีกควิบิตที่สร้างจากอะตอมของคาร์บอนในเพชรของเขา โดยพื้นฐานแล้วจะทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำควอนตัมเพื่อเก็บสถานะพัวพันไว้ใช้ในภายหลัง

สิ่งนี้ทำให้อิเล็กตรอนของเขาว่างเพื่อสร้างพัวพันกับชาร์ลีในลักษณะเดียวกับเมื่อก่อน เมื่อบ๊อบเข้าไปพัวพันกับโหนดอื่นทั้งสองแล้ว เขาก็ดำเนินการสลับการพัวพันกับอิเล็กตรอนของเขา และสถานะที่พันกันถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำ qubit ของเขา ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะสร้างการพัวพันระหว่างคิวบิตของอลิซและชาร์ลี

เมื่อ โหนดทั้งสองที่ไม่เชื่อมต่อกันเชื่อมโยงกัน พวกเขาจำเป็นต้องใช้สถานะพัวพันที่ใช้ร่วมกันนี้เพื่อ ถ่าย โอนข้อมูล จากโหนดหนึ่งไปยังอีก โหนดหนึ่ง ในการทำเช่นนี้ ชาร์ลีได้ดำเนินการที่เรียกว่า Bell State Measurement (BSM) ซึ่งจะทำการวัดร่วมกันของทั้ง qubit ที่มีข้อมูลที่ต้องการส่งและ qubit ที่พัวพันกับ qubit ของ Alice

สิ่งนี้ทำให้สถานะควอนตัมของ qubit ข้อมูลสามารถเคลื่อนย้ายไปยัง qubit ของ Alice ได้ทันที แต่กระบวนการเข้ารหัสโดยพื้นฐานแล้ว ดังนั้นการทำความเข้าใจมันต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติม ชาร์ลีส่งผลของ BSM ไปยังอลิซผ่านช่องทางการสื่อสารทั่วไป ซึ่งสามารถใช้เพื่อถอดรหัสข้อความและเปิดเผยสถานะควอนตัม

ในขณะที่การทดลองเหล่านี้ดำเนินการบนโหนดที่อยู่ห่างกันเพียง 60 ฟุต โดยหลักการแล้ว การเคลื่อนย้ายไกลควรเป็นไปได้ในทุกระยะ ซึ่งอาจก้าวข้ามปัญหาของการส่งข้อมูลควอนตัมผ่านช่องสัญญาณออปติคัล อย่างไรก็ตาม การทำให้การตั้งค่านี้ทำงานได้จำเป็นต้องมีการอัปเกรดที่สำคัญกว่าระบบก่อนหน้านี้ เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของการสื่อสารด้วยแสงและความเที่ยงตรงของ qubit หน่วยความจำ

ใน มุมมองที่สัมพันธ์กันใน ธรรมชาติ นัก วิจัยชี้ให้เห็นว่าองค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้จะต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมอีกมากก่อนที่จะสามารถรับรู้อินเทอร์เน็ตควอนตัมที่แท้จริงได้ อย่างไรก็ตาม งานนี้เป็นก้าวสำคัญและช่วยขจัดอุปสรรคสำคัญในการสร้างเครือข่ายควอนตัมในระดับโลก

เครดิตภาพ: Marieke de Lorijn สำหรับ QuTech