Kuantum bilgi ağları, günümüzde bilginin işlenmesi ve iletişim kapasitemize yeni kavrayışlar sağlayacak son derece güçlü bir teknoloji haline gelmektedir. Güncel araştırmalar, bu kuantum ağı devriminin köşe başında bekliyor olabileceğini gösteriyor.

Bir Kuantum Bilgi Ağı'nın ana unsurları; bilginin depolandığı ve kaydedildiği soğuk atomik gazlar veya katkılı katılar gibi madde sistemlerinden oluşan kuantum düğümleri ve temelde fotonlar olan iletişim parçacıklarıdır. Fotonlar, mükemmel bilgi taşıcıyıları gibi görünseler de, yine de her sistem farklı işlevsellikler sunduğu için hangi madde sisteminin ağ düğümü olarak kullanılabileceği konusunda hala belirsizlik vardır. Dolayısıyla da farklı malzeme sistemlerinin en iyi kapasitelerini birleştirmek adına arama yapılması için bir hibrid ağın uygulanması önerilmiştir.

Geçmişte yapılan çalışmalar, özdeş düğümler arasındaki kuantum bilgi transferilerinin güvenilirliğini belgelemişti, fakat bu yeni çalışma bunun "hibrid" düğümler ağıyla saklandığı ilk çalışma olma özelliğinde. ICFO araştırmacıları, hibrid bir kuantum ağı çalışması yapma ve farklı kuantum düğümleri arasında tekli fotonlar aracılığıyla kuantum durumlarının güvenilir bir şekilde aktarılmasının zorluğunun üstesinden gelmek için bir çözüm ürettiler. Tek bir fotonun genelde farklı dalga boylarında ve bant genişliklerinde işlev gören heterojen düğümler veya madde sistemleri ile güçlü ve gürültüsüz bir ortamda etkileşime girmesi gerekir. Araştırmacılar bu durumu, iki farklı dildeki düğümlerin konuşmasına benzetiyorlar. Bu ikisi arasındaki iletişimi sağlamak için, tek bir fotonun özelliklerini değiştirmek yeterlidir, böylelikle bu farklı düğümler arasındaki bilgi transferi daha etkin bir biçimde gerçekleşebilir.

Sorunu Nasıl Çözdüler?

22 Kasım'da (2017)  Nature'da yayımlanan çalışmada, ICFO araştırmacıları yürüttükleri çalışmalarında, iki çok ayrı kuantum düğümü kullandılar: Rubidyum atomlarının lazerle soğutulmuş bir bulutundan oluşan saçılım yapan düğüm ve Praseodimyum iyonlarıyla katkılanmış bir kristal olan alıcı düğüm. Araştırmacılar, soğuk gazdan, çok dar bir bant genişliği ve 780 nm'lik bir dalga boyuyla tek bir fotonda kodlanmış bir kuantum biti (qubit) üretti. Ardından ekip, bu ağın mevcut telekomünikasyon C-bandı aralığıyla tamamen uyumlu olabileceğini göstermek için, fotonu 1552 nm'lik telekomünikasyon dalga boyuna çevirdi. Sonrasında da bir laboratuvardan diğerine bir optik fiber yoluyla gönderdiler. İkinci laboratuarda, fotonun dalga boyu düzgün bir şekilde etkileşim kurmak ve kuantum durumunu alıcı katkılı kristal düğümüne aktarmak için 606 nm'ye dönüştürüldü. Kristal ile etkileşim üzerine, fotonik kuantum biti, yaklaşık 2.5 mikrosaniye boyunca kristal içinde depolandı ve çok yüksek bir doğrulukla alındı. Universitat Politècnica de Catalunya'dan foton bilim üzerine çalışmalar yürüten Kutlu Kutluer, Bilimfili.com'a yaptığı açıklamada; "Şu anda en uzun ışık saklama süresine, bizim kullandığımız tip kristal ile erişildi. Diğer taraftan en verimli ışık saklama deneyleri de cold atomlar ile yapılıyor. Bu yüzden bu iki farklı ama büyük potansiyele sahip ortamı kullandık" dedi.

Araştırma sonuçları, iki çok farklı kuantum sistemin birbirine bağlanabileceğini ve tek bir foton vasıtasıyla iletişim kurulabileceğini ortaya koydu. Telekom C bandı dalga boyundaki fotonik "qubit"lerin ileri ve geri dönüşüm yetenekleri, bu sistemlerin mevcut telekom şebekeleri ile tamamen uyumlu olabileceğini gösteriyor.

Kuantum Bilgi Ağlarının Avantajları

Klasik bilgi ağları ya da "world wide web" (www), 80li yıllarda geliştirilen bir sistemdir. Basitçe, ağ üzerinden elektronik devreler ve çipler tarafından işlenip modüle edilen ve optik fiberler vasıtasıyla minimum sinyal kayıplarıyla ağda bilgi iletimi sağlayan ışık darbeleri ile gerçekleşir.

Artık, klasik "bit"ler yerine, kuantum bilgi ağı (veya kuantum interneti); kuantum bilgilerini kuantum bitleri veya "qubit"ler vasıtasıyla işler ve depolar. Bitler 0 veya 1 olabilirken, qubitler; bu iki durumun herhangi bir süperpozisyonunda olabilir. Bir kuantum ağında, bunlar kuantum maddesi sistemleri, ör. soğuk atomik gazlar, katkılı katılar veya diğer sistemler tarafından oluşturulur ve işlenir. Klasik ağlara kıyasla kuantum bilgi, güçlü ışık atımları yerine tekli fotonların kullanıldığı düğümler arasında transfer edilir.

Kuantum düğümleri ve kuantum iletişim kanallarından oluşan kuantum bilgi ağları, yeni teknolojiler için yeni kapıları aralayacak. Örneğin, mükemmel veri aktarımı, dağıtılmış kuantum bilişimi veya gelişmiş saat senkronizasyonu uygulamaları ile gelişmiş veri işlemeyi mümkün hale getirebilecek.

---

Kaynaklar ve İleri Okuma:
-Photonic quantum state transfer between a cold atomic gas and a crystal. Nature, (2017). https://www.nature.com/articles/nature24468
-Quantum internet goes hybrid. ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2017/11/171122131435.htm (accessed November 26, 2017).

---