Kuantum fiziği tabanlı ağlar geliştirmek, iletişim güvenliğini artırma, kuantum bilgisayarların yeteneklerini birleştirme ve yeni nesil araştırma araçları yaratma gibi muazzam potansiyeller taşıyor. Ancak bu alandaki en büyük zorluklardan biri, nesnelerin arasındaki mesafeden bağımsız olarak birbirine dolanık hale geldiği "entanglement" adı verilen kuantum olgusudur.
Entanglement'da, birbirine dolanık parçalardan birinin ölçümü, diğerine yapılan ölçümün sonucunu belirler. Teorik olarak bu kadar harika olsa da, mevcut fiber optik iletişim kanallarımız üzerinden dolanık parçacıkları taşımak oldukça zordur. Laboratuvar ortamlarının dışındaki koşullarda, kuantum durumları kolayca bozulabilir.
Şimdi ise ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) liderliğindeki araştırmacılar, mevcut ağ kablolaması üzerinden 62 kilometre (38.5 mil) mesafede ışık parçacıklarını (fotonları) entanglement'larını bozmadan başarıyla iletmeyi başardılar.
Bu bulgular, Journal of Optical Communications and Networking'de yayımlandı. NIST'ten fizikçi Yicheng Shi, bu çalışmayı "kuantum ağ sistemlerinin bir stres testi" olarak nitelendiriyor ve çok gürültülü bir ortamda yapılan bu denemenin şaşırtıcı bir şekilde hala çalıştığını belirtiyor.
Bu mesafe kesin bir rekor olmasa da, denemenin kurulumu açısından dikkat çekicidir. Deneyde kullanılan fiber optik kabloların büyük bir kısmı, yer altından ziyade yer üstünden, NIST ile Maryland Üniversitesi arasındaki sokak direkleri arasına gerilmiş durumdaydı. Bu kablolar rüzgar, sıcaklık değişimleri ve çevresel titreşimlere karşı daha savunmasızdır.
Sıradan internet verilerini oluşturan film akışları ve görüntülü aramalar bu koşullardan etkilenmese de, kuantum verileri kesinlikle etkilenir. Çevresel faktörler, fotonların polarizasyonunu, yani elektrik alanlarının titreşim yönünü ve dolayısıyla entanglement bilgisinin taşındığı alanı bozar. NIST'ten fizikçi Oliver Slattery, bu durumu "mümkün olan en kötü bağlantı türü" olarak tanımlıyor.
Bu parazit sorununu aşmak için araştırmacılar, referans noktası olarak bir lazer ışığı sinyali kullandılar. Bu lazer ışığının ne kadar döndüğünü hesaplayarak, ekip dolanık fotonlara gerekli düzeltmeleri uygulayabildi. Deney sırasında, dolanık fotonlar ve lazer ışığı arasında bir miktar geçiş yapılması gerekti, ancak bu işlemin sadece %7.2'lik bir operasyon süresi aldığını ve geri kalan %92.8'lik sürede stabilize edilmiş kuantum bilgisi gönderildiğini belirtiyorlar.
Araştırmacılar, yayınladıkları makalede sonuçlarının "zorlu fiber koşulları üzerinden polarizasyon dolanıklığına sahip fotonların dağıtımının fizibilitesini gösterdiğini ve pratik kuantum ağlarının yaygınlaştırılmasına yönelik önemli bir adım olduğunu" vurguluyorlar.
Kuantum entanglement alanında yakın zamanda 420 kilometrelik optik fiber üzerinden rekor mesafeler kat edilmiş olsa da, bu son sonuçlar çok daha kaotik gerçek dünya koşullarından elde edilmiştir. Araştırmacılar, "yer üstü optik fiberlerin tipik olarak polarizasyon kodlu veya polarizasyon dolanıklığına sahip fotonların iletimi için uygun kuantum kanalları olarak kabul edilmediğini, ancak fiber hattının aktif olarak stabilize edilmesi durumunda polarizasyon dolanıklığının kararlı bir dağıtımının mümkün olduğunu gösterdiklerini" belirtiyorlar.
Bu gerçek dünya testinin sonuçları cesaret verici olsa da, hala yapılması gereken çok iş var. Saniyede 200-1500 dolanık foton iletim hızı kötü olmasa da, bir kuantum interneti için geliştirilmesi gerekmektedir. Araştırmacılar, daha hızlı bir donanım kurulumu ve daha verimli yazılım algoritmalarının potansiyel geliştirmeler olduğunu belirtiyor.
Bu çalışma, kuantum ağlarının peşine düşmeye değer bir teknoloji olduğuna dair daha fazla kanıt sunuyor. Örneğin, Dünya'nın farklı noktalarındaki teleskopları birbirine bağlamak için kullanılabilir; dolanık fotonlar sayesinde bu teleskoplar adeta tek bir devasa enstrüman gibi çalışabilir. Ayrıca, bu sistemlerin internete sağlayabileceği kuantum güvenliği yükseltmeleri de söz konusu. Uzaktaki ağ düğümleri, iletim sırasında ele geçirilemeyecek gizli bir "kod" paylaşarak veri doğrulama yapabilir, çünkü bu kod ancak kontrol edildiğinde belirlenir.
Araştırmacılardan Shi, bu çalışmanın "kuantum ağ protokollerinin gerçek dünya ortamlarında çalışabileceğinin bir göstergesi" olduğunu ifade ediyor. Araştırma, Journal of Optical Communications and Networking'de yayımlanmıştır.
