Cenevre Üniversitesi'nden (UNIGE) bir ekip, 20 milisaniye boyunca bir kristalde (bellek) bir qubit depolamayı başararak dünya rekoru kırdı ve uzun mesafeli kuantum iletişim ağlarının geliştirilmesine yönelik büyük bir adım attı.
Kuantum fiziği hayatımızda birçok teknolojik gelişmeyi mümkün kıldı. Şimdi, ultra güvenli iletişim ağları geliştirmek amacıyla kriptografide (mesaj kodlama) yeni araştırma alanlarının açılmasını sağlıyor. Bununla birlikte, bir engel var: bir optik fiber içinde birkaç yüz kilometre sonra, qubitleri veya ‘kuantum bitlerini’ (bilgi) taşıyan fotonlar kaybolur. Bu nedenle, kısmen kuantum hafızasına dayanan bir tür ‘röle’ olan ‘tekrarlayıcılara’ ihtiyaç duyarlar.
Kuantum kriptografi, şifreleme görevini gerçekleştirmek için kuantum fiziğinin mekaniksel özelliklerinden yararlanan bilimdir. Günümüz teknolojisinde fiber optik ağ üzerindeki bir fotonun yeni bir kopyası çıkarılamaz. İşte kuantum kripto tekniği fotonun bu özelliğinden faydalanarak güvenli bir anahtar iletimi sağlar.
Kuantum kriptografide temel prensip; OTP (one-time-pad) anahtarlı kriptografi tekniğinin kullanılmasıdır. Kuantum kriptografiyi diğer kriptografi sistemlerinden farklı kılan şey güvenli ve devamlı anahtar dağıtımının garantilenmesidir. Kuantum anahtar dağıtımında optik hattın, Heisenberg belirsizlik kuramından faydalanılarak dinlenilmesi imkansız kılınır ve normal yollardan gönderilecek verilerin kodlanmasında kullanılacak şifre anahtarları bu optik hat üzerinden iletilir. Süperpozisyon olgusu, gönderenin mesajı ileten fotonun yakalanıp yakalanmadığını hemen anlamasını sağlar. Bu sayede en gizli seviyedeki bilgiler kırılması imkansız şekilde kriptolanarak rahatça her türlü iletişim hattından gönderilir.
Bununla birlikte, uzun mesafeli kuantum iletişim sistemlerinin geliştirilmesinde büyük bir engel var, birkaç yüz kilometrenin ötesinde fotonlar ve sinyal kayboluyor. Sinyal kopyalanamadığından veya yükseltilemediğinden, gizliliğini garanti eden kuantum durumunu kaybedeceğinden zorluk oluşuyor.
2015 Yılında Cenevre Üniversitesi Fen Fakültesi Uygulamalı Fizik Bölümü'nde (UNIGE) kıdemli öğretim görevlisi olan Mikael Afzelius liderliğindeki ekip, bir foton tarafından 0.5 milisaniye boyunca taşınan bir qubit'i bir kristalde (bellek) saklamayı başardı. Bu işlem, fotonun kaybolmadan önce kuantum durumunu kristalin atomlarına aktarmasına izin verdi. Bununla birlikte, fenomen, uzun mesafeli kuantum telekomünikasyonunun geliştirilmesi için bir ön koşul olan daha geniş bir bellek ağının inşasına izin verecek kadar uzun sürmedi.
UNIGE bilim insanları, ‘nadir topraklar’ adı verilen bazı metallerle katkılı, ışığı emebilen ve daha sonra yeniden yayabilen kristaller kullandılar. Bu kristaller -273,15°C'de (mutlak sıfır) tutuldu, çünkü bu sıcaklığın üzerindeki 10°C'nin ötesinde, kristalin termal ajitasyonu atomların karışmasını yok eder.
UNIGE Uygulamalı Fizik Bölümü'nde doktora sonrası araştırmacı Antonio Ortu “Kristale bir Tesla'nın binde biri kadar küçük bir manyetik alan uyguladık ve kristale yoğun radyo frekansları göndermekten oluşan dinamik dekuplaj yöntemleri kullandık. Bu tekniklerin etkisi, nadir toprak iyonlarını çevrenin pertürbasyonlarından ayırmak ve şimdiye kadar bildiğimiz depolama performansını neredeyse 40 kat arttırmaktır,” diye açıklıyor.
Bu araştırmanın sonuçları, uzun mesafeli kuantum iletişim ağlarının geliştirilmesi için büyük bir ilerleme teşkil etmektedir. Ayrıca, bir foton tarafından taşınan bir kuantum durumunun depolanmasını, insanlar tarafından tahmin edilebilecek bir zaman ölçeğine getirirler.
Ancak, yine de yerine getirilmesi gereken çok sayıda sorun var. Mikael Afzelius bu konuda şu açıklamayı yaptı; “Şimdi zorluk, depolama süresini daha da uzatmak. Teorik olarak, kristalin radyo frekanslarına maruz kalma süresini arttırmak yeterli olacaktır, ancak şu an için, daha uzun bir süre boyunca uygulanmalarının önündeki teknik engeller, 100 milisaniyenin ötesine geçmemizi engellemektedir. Ancak, bu teknik zorlukların çözülebileceği kesin.”
Bilim insanları ayrıca, aynı anda birden fazla fotonu depolayabilmenin ve böylece gizliliği garanti edecek ‘dolaşmış’ fotonlara sahip olmanın yollarını bulmak zorunda kalacaklar. Araştırmacı, ”Amaç, tüm bu noktalarda iyi performans gösteren ve on yıl içinde pazarlanabilecek bir sistem geliştirmektir" dedi.
Kaynak: https://scitechdaily.com/quantum-telecommunications-breakthrough-new-world-record-for-qubit-storage/