Hacklenemez iletişim cihazları, yüksek hassasiyetli GPS ve yüksek çözünürlüklü tıbbi görüntülemenin hepsinin ortak bir yanı var. Bazıları geliştirilmekte olan ve bazıları halihazırda piyasada bulunan bu teknolojilerin tümü, sezgisel olmayan kuantum dolanıklık olgusuna dayanmaktadır.

Atom çiftleri veya fotonlar gibi iki kuantum parçacığı birbirine karışabilir. Bu, bir parçacığın özelliğinin diğerinin özelliğiyle bağlantılı olduğu ve bir parçacıkta meydana gelen değişiklik, birbirlerinden ne kadar uzakta olduklarına bakılmaksızın diğer parçacığı anında etkilediği anlamına gelir. Bu korelasyon, kuantum bilgi teknolojilerinde önemli bir kaynaktır.

Çoğunlukla, kuantum dolaşıklığı hala fizik araştırmalarının bir konusudur, ancak aynı zamanda ticari olarak mevcut teknolojilerin bir bileşenidir ve ortaya çıkan kuantum bilgi işleme endüstrisinde önemli bir rol oynar.

öncüler

2022 Nobel Fizik Ödülü , Fransa’dan Alain Aspect’in, ABD’den John F. Clauser’ın ve Avusturyalı Anton Zeilinger’in, lisansüstü okul kariyerimin başlangıcından beri bana kişisel olarak dokunan kuantum dolaşıklık ile ilgili deneysel çalışmasının derin mirasını tanıdı. fizikçi  Anton Zeilinger, doktoramın akıl hocasıydı. fotonik dolaşıklıktaki eşevresizliği deneysel olarak anlama konusundaki tezimi büyük ölçüde etkileyen akıl hocası Paul Kwiat.

Eşevresizlik, çevre kuantum bir nesneyle – bu durumda bir foton – onu kuantum süperpozisyon durumundan çıkarmak için etkileşime girdiğinde meydana gelir. Süperpozisyonda, bir kuantum nesnesi çevreden izole edilir ve aynı anda iki zıt durumun tuhaf bir karışımında bulunur, tıpkı bir yazı turasının hem yazı hem tura olarak inmesi gibi. İki veya daha fazla kuantum nesnesinin dolanık hale gelmesi için süperpozisyon gereklidir.

Dolaşma uzaklara gider

Kuantum dolaşıklık, kuantum bilgi işlemenin kritik bir unsurudur ve Nobel ödüllülerin öncülük ettiği türden fotonik dolaşıklık, kuantum bilgilerinin iletilmesi için çok önemlidir. Kuantum dolaşıklığı, büyük ölçekli kuantum iletişim ağları oluşturmak için kullanılabilir.

Uzun mesafeli kuantum ağlarına doğru giden bir yolda, Zeilinger’in eski öğrencilerinden Jian-Wei Pan ve meslektaşları, uydu iletimi yoluyla Dünya üzerinde 764 mil (1.203 km) ile ayrılmış iki konuma dolaşıklık dağılımını gösterdi . Bununla birlikte, kuantum bilgisinin doğrudan iletim hızları, kayıp nedeniyle sınırlıdır, yani çok fazla foton geçiş halindeki madde tarafından emilir, bu nedenle hedefe yeterince ulaşamaz.

Dolaşıklık, kuantum tekrarlayıcıların yeni gelişen teknolojisi aracılığıyla bu engeli çözmek için kritik öneme sahiptir. Dolanıklık değiş tokuşu adı verilen erken kuantum tekrarlayıcılar için önemli bir dönüm noktası, 1998’de Zeilinger ve meslektaşları tarafından gösterildi. Dolanıklık değiş tokuşu, iki dolanık foton çiftinin her birini birbirine bağlayarak, başlangıçta birbirinden çok uzak olabilen iki bağımsız fotonu birbirine dolaştırıyor.

kuantum koruma

Belki de en iyi bilinen kuantum iletişim uygulaması, birisinin şifreleme anahtarlarını güvenli bir şekilde dağıtmasına izin veren Kuantum Anahtar Dağıtımı’dır (QKD). Bu anahtarlar düzgün bir şekilde saklanırsa, gelecekteki güçlü, kod kıran kuantum bilgisayarlardan bile güvende olacaklardır.

QKD için ilk teklif açıkça dolaşmayı gerektirmezken, daha sonra dolaşma temelli bir versiyon önerildi . Bu öneriden kısa bir süre sonra, tekniğin ilk gösterimi, bir masa üstünde kısa bir mesafeden hava yoluyla geldi. Dolaşma temelli QKD’nin ilk gösterimleri, Zeilinger, Kwiat ve Nicolas Gisin liderliğindeki araştırma grupları tarafından, Mayıs 2000’de Physical Review Letters’ın aynı sayısında yayınlandı.

Bu dolaşıklığa dayalı dağıtılmış anahtarlar, iletişim güvenliğini önemli ölçüde artırmak için kullanılabilir. Bu doğrultuda ilk önemli gösteri, 2004 yılında Avusturya’nın Viyana kentinde bir banka havalesi gerçekleştiren Zeilinger grubundan oldu. Bu durumda, QKD sisteminin iki yarısı büyük bir bankanın genel merkezinde ve Viyana Belediye Binası’nda bulunuyordu. Fotonları taşıyan optik fiberler, Viyana kanalizasyon sistemine yerleştirildi ve bir milin onda dokuzunu (1,45 km) kapladı.

Satılık karışıklık

Bugün, QKD’ye dolaşma temelli bir yaklaşıma odaklanan grubumun işbirlikçisi Qubitekk de dahil olmak üzere, kuantum anahtar dağıtım teknolojisini ticarileştiren bir avuç şirket var. Daha yeni bir ticari Qubitekk sistemiyle, meslektaşlarım ve ben Chattanooga, Tennessee’de güvenli akıllı şebeke iletişimini gösterdik.

Kuantum iletişim, bilgi işlem ve algılama teknolojileri, askeri ve istihbarat toplulukları için büyük ilgi görüyor. Kuantum dolaşıklığı, optik algılama ve yüksek çözünürlüklü radyo frekansı algılama yoluyla tıbbi görüntülemeyi artırmayı da vaat ediyor ve bu da GPS konumlandırmasını iyileştirebilir. Müşterilere güvenli iletişim için dolaşık kübitlere ağ erişimi sağlayarak hizmet olarak dolaşıklığı sunmaya hazırlanan bir şirket bile var.

Gelecekteki dolanık kuantum ağları tarafından etkinleştirilecek, önerilmiş ve henüz icat edilmemiş birçok başka kuantum uygulaması vardır. Kuantum bilgisayarlar belki de geleneksel dijital bilgisayarlarda iyi ölçeklenmeyen sorunların doğrudan simülasyonunu sağlayarak toplum üzerinde en doğrudan etkiye sahip olacaktır. Genel olarak, kuantum bilgisayarlar çalışırken karmaşık dolaşık ağlar üretir. Bu bilgisayarların, enerji tüketimini azaltmaktan kişiye özel ilaç geliştirmeye kadar toplum üzerinde büyük etkileri olabilir.

Son olarak, dolaşık kuantum sensör ağları, günümüzün geleneksel teknolojisiyle görülemeyen karanlık madde gibi teorik fenomenleri ölçme yeteneği vaat ediyor. Onlarca yıl süren temel deneysel ve teorik çalışmalarla aydınlatılan kuantum mekaniğinin tuhaflığı, yeni filizlenen küresel bir kuantum endüstrisine yol açtı.