Kuantum internet, yoğun telekom fiber üzerinden gerçek dünyadaki ilk karışıklıkla laboratuvardan çıkıyor

Kuantum bilgisi herkesin bildiği gibi kırılgandır. İnternet trafiği başka bir şeydir. Ancak Northwestern Üniversitesi’ndeki bilim insanları, aynı fiber optik kablo içinde barış içinde bir arada yaşayabileceklerini gösterdiler.

Yeni bir çalışmada araştırmacılar, Evanston ile Chicago şehir merkezini birbirine bağlayan 24,4 kilometrelik (15,2 mil) bir fiber optik kablo aracılığıyla dolaşmış fotonları başarıyla gönderirken, aynı kablo aynı anda yüksek kapasiteli internet trafiğini taşıyordu. Geleneksel veri selinin ortasında bile kuantum sinyalleri dikkate değer ölçüde bozulmadan kaldı ve dolaşıklığı %94’ün üzerinde doğrulukla korudu.

Kırılgan kuantum sinyallerinin ve güçlü klasik veri akışlarının aynı optik fiberi paylaşmasına izin veren çalışma, tamamen yeni iletişim altyapısı gerektirmeden gelecekteki kuantum ağlarının inşasına yönelik pratik bir yol gösteriyor.

Çalışma 20 Temmuz Pazartesi günü dergide yayınlandı. Optik Kuantum. Bu, aynı anda modern ticari telekomünikasyon trafiğini taşıyan bir fiber üzerinden uzak düğümler arasındaki dolaşma dağılımının ilk gösterimini işaret ediyor.

Çalışmanın kıdemli yazarı Northwestern’den Prem Kumar, “Kuantum sinyalleri, klasik sinyallerle karşılaştırıldığında çok çok küçüktür” dedi. “Bu, fillerle dolu bir yolda ilerleyen bir karıncaya benziyor. Sonuçlarımız, fotonların bu yolculukta hayatta kalabildiğini ve dolaşık halde kalabildiğini gösteriyor.”

Kuantum iletişiminde uzman olan Kumar, Northwestern McCormick Mühendislik Okulu’nda elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörüdür ve burada Fotonik İletişim ve Bilgi İşlem Merkezi’ni yönetmektedir. Kumar’ın araştırma grubundaki yüksek lisans öğrencisi Gina Talcott, çalışmanın ilk yazarıdır.

Sinyaller neden bu kadar savunmasız?

Bilgiyi bitler (0’lar ve 1’ler) halinde depolayan günümüz internetinin aksine, kuantum ağları, kuantum hesaplama bağlamında kübitler gibi kuantum durumlarına dayanır. Bu, iki parçacığın kuantum durumlarının, aralarındaki mesafeye bakılmaksızın ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olduğu bir özellik olan kuantum dolaşmayı da içerir.

Dolaşmış parçacıklar, bilgi iletmek için seyahat etmek yerine, ışınlanma adı verilen bir süreç aracılığıyla, kuantum bilgilerinin fiziksel olarak taşınmadan, uzak mesafeler boyunca değiş tokuş edilmesine yardımcı olabilir. Bu yaklaşım son derece hızlı ve güvenli olmakla birlikte, aynı zamanda bozulmalara karşı da inanılmaz derecede hassastır. En küçük miktardaki optik gürültü bile bilgi taşıyan fotonları bastırabilir.

Kumar, “Optik iletişimde tüm sinyaller ışığa dönüştürülür” dedi. “İletişime yönelik geleneksel sinyaller genellikle milyonlarca ışık parçacığından oluşurken, kuantum bilgisi tek fotonları kullanır.”

Fiberde daha sessiz bir şerit

2024 yılında yapılan bir araştırmada Kumar ve çalışma arkadaşları, hassas fotonların yoğun trafikten uzak durmasına yardımcı olacak yeni bir yol keşfetti. Ekip, ışığın fiber optik kablolar içinde nasıl dağıldığına dair derinlemesine çalışmalar yaptıktan sonra, fotonları yerleştirmek için daha az kalabalık bir ışık dalga boyu buldu. Daha sonra normal internet trafiğinden kaynaklanan gürültüyü azaltmak için özel filtreler eklediler. Yüksek hızlı internet trafiğiyle dolu 30 kilometrelik (19 mil uzunluğunda) bir kablonun kullanıldığı laboratuvar deneylerinde bu yaklaşım işe yaradı.

Kumar, “Bu deneyde mümkün olanın sanatını gösterdik” dedi. “30 kilometre boyunca gerçek kuantum ışınlamayı başardık ama bu laboratuvardaydı. Daha fazla gerçekçilik katmak ve deneyi gerçek dünyaya taşımak istedik.”

Laboratuvar kurulumundan şehir bağlantısına

Yeni deney için Kumar, Northwestern’in Evanston kampüsünde bulunan laboratuvarında dolaşmış foton çiftleri üretti. Her dolanık foton çiftinin bir üyesi Evanston’da kalırken, diğeri kurulu fiberler aracılığıyla Northwestern’in Chicago şehir merkezindeki kampüsündeki StarLight Uluslararası/Ulusal İletişim Değişim Tesisi’ne kadar 24,4 kilometre yol kat etti. Fotonlar, saniyede 800 gigabitlik iki veri kanalıyla aynı fiberi ve tam yüklü bir ticari bağlantıyı temsil eden ek optik gücü paylaşıyordu.

Kumar, “Fiber, saniyede 36 terabit klasik veriyi potansiyel olarak iletmeye yetecek kadar güç taşıyordu” dedi. “Bu kabaca tek bir fiber üzerinden aynı anda yayınlanan 20 milyon YouTube videosuna eşdeğer.”

Yoğun trafiğin kuantum fotonları aşmasını önlemek için Kumar ve ekibi, fotonları optik spektrumun O-bandı olarak bilinen daha sessiz bir kısmına kaydırdı. Geleneksel iletişim, ticari sistemlerin tipik olarak çalıştığı C bandıyla sınırlı kaldı.

Deney fiziksel olarak ayrı iki konum arasında gerçekleştiğinden, araştırmacıların ağın her iki ucunu da saniyenin trilyonda biri kadar bir sürede senkronize tutmaları gerekiyordu. Beyaz Tavşan adı verilen bir optik zamanlama sistemi kullanarak pikosaniye seviyesinde senkronizasyonu başardılar. Bu hassasiyet, yoğun arka plan trafiğine rağmen ekibin eşleşen dolaşmış foton çiftlerini gerçek zamanlı olarak tanımlamasına olanak tanıdı.

Kumar ve ekibi, dolaşıklık doğruluğunu %94’ün üzerinde ölçtü ve klasik iletişim sisteminin yeniden üretemeyeceği bir seviyede yolculuktan sağ çıktığını doğruladı.

Bir sonraki engel ışınlanmadır

Çalışma, kuantum teknolojilerini mevcut telekomünikasyon sistemleriyle entegre etmeye yönelik daha geniş bir değişimin parçası. Kumar ve ortak yazar Jordan Thomas yakın zamanda Optics & Photonics News için bir makalesinde bu evrimi araştırdı.

Daha sonra ekip, gerçek dünyadaki bir telekomünikasyon ağı üzerinden uzak düğümler arasında kuantum ışınlanma gerçekleştirmeyi planlıyor. Kumar, laboratuvarında zaten ışınlanma gerçekleştirmiş olsa da, bunu ticari trafiği taşıyan bir metropol fiber üzerinde göstermek istiyor.

Kumar, “Dolaşıklık dağıtımı yapabileceğimizi gösteren büyük bir köprüyü geçtik” dedi. “Fakat ışınlanmada iki adım vardır. İlk olarak, dolaşıklığı dağıtmanız gerekir. Daha sonra bilgiyi aktarmanız gerekir. Her adım giderek daha karmaşık ve zordur, ancak bunun mümkün olduğunu gösteriyoruz.”