Yeni boş alan optik bağlantısı, ülkenin en uzun kuantum ağına kablosuz bir bileşen ekliyor

Long Island’da yeni bir deniz feneri var. Ancak bu gemi, su yollarında gemilere rehberlik edecek ışık yaymak yerine, kuantum bilgisini taşıyan ışık parçacıklarını gönderip alıyor. ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki yedi katlı bir binanın tepesinde yer alan “Kuantum Deniz Feneri”, Brookhaven Laboratuvarı, Stony Brook’taki New York Eyalet Üniversitesi (Stony Brook Üniversitesi) ve Yale Üniversitesi’ni kapsayan serbest uzay optik (FSO) bağlantısının temel direğidir.

Brookhaven Laboratuvarı’nın kurumlar arası FSO bağlantı projesindeki baş bilim insanı Justine Haupt, “Bir FSO bağlantısı, günümüzün klasik internetinin kablolu bağlantıların ötesinde yörüngedeki uydulara ve cep telefonlarımıza kadar genişlemesine izin veren kablosuz teknolojiye benziyor” dedi. “Kuantum interneti gerçekten kullanışlı hale getirmek için gereken temel teknolojilerden biri.”

Türünün ilk kalıcı örneği olan bu FSO bağlantısı, Long Island ve New York metropol bölgesi boyunca 161 mil (259 kilometre) yayılan ülkenin en uzun kuantum ağına kablosuz bir bileşen ekliyor.

Bu ağ aracılığıyla araştırmacılar, uzun mesafelerle ayrılmış olsalar bile kuantum mekaniği yasalarına göre doğası gereği birbirine bağlanan hafif parçacık çiftleri olan dolaşmış fotonları iletirler. Sonuç olarak, bir fotonun ölçülmesi, onun karşılığı hakkındaki bilgileri anında ortaya çıkarır; bu benzersiz özellik, bir gün ultra güvenli iletişim, gelişmiş kuantum algılama ve ağ bağlantılı kuantum hesaplamayı mümkün kılabilir.

Ağa dahil edilen FSO bağlantısıyla, araştırmacılar artık New York Upton’daki Brookhaven Kuantum Deniz Feneri ile Stony Brook Üniversitesi’nin New York Stony Brook’taki Kuantum Gözetleme Kulesi arasındaki havada dolaşık fotonları 13 mil (21 kilometre) gönderebiliyor. Yakında, Connecticut’taki New Haven’daki Yale’de üçüncü bir tesis faaliyete geçecek ve araştırmacıların Long Island Sound boyunca 30 mil (48 kilometre) dolaşmış fotonlar göndermesine olanak tanıyacak.

Stony Brook’un Kuantum Enstitüsü müdürü, Sanat ve Bilim Koleji Fizik ve Astronomi Bölümü’nde başkanlık fizik profesörü ve Brookhaven Laboratuvarı’nda ortak olarak atanan Eden Figueroa, “Laboratuvarda kuantum cihazları geliştirme çağını geçiyoruz ve uzun mesafeli kuantum ağımız gibi büyük kuantum sistemlerini aktif olarak tasarladığımız bir çağa giriyoruz” dedi.

“Laboratuvarlarımızı konuşlandırılmış fiber ve boş uzay optik kuantum bağlantılarıyla birleştirerek, Einstein’ın ‘uzaktan ürkütücü eylem’ düşünce deneylerini inşa ederken aynı zamanda güvenli kuantum ağları kuruyor ve bunları yönetecek parlak zekaları eğitiyoruz.”

Fiberden boş alana

Araştırmacılar, Brookhaven’ın Kuantum Bilgi Bilimi ve Teknolojisi (QIST) Laboratuvarı gibi ağ düğümlerinde, özel olarak tasarlanmış bir kristal veya optik cihaza lazer ışınlayarak dolaşık fotonlar üretiyor. Bu, bir fotonu dolaşık bir çifte böler ve bu çift daha sonra ayrılıp ticari kablo aracılığıyla diğer ağ düğümlerine iletilebilir.

Ancak bu parçacıklar Kuantum Deniz Feneri gibi FSO bağlantı düğümlerine ulaştığında araştırmacılar artık kabloya güvenemezler. Bunun yerine teleskoplardan yararlanıyorlar.

Haupt ve Brookhaven’ın Enstrümantasyon Departmanı’ndaki meslektaşları, diğer birçok astronomi projesinin yanı sıra, dünyanın en büyük dijital kamerasıyla donatılmış bir dağ zirvesi astronomi tesisi olan Vera C. Rubin Gözlemevi için önemli bileşenler inşa etmişler ve teleskop teknolojisinde oldukça bilgilidirler. Ancak bazı açılardan, kurumlar arasında ışık ileten teleskoplar inşa etmek, uzaktaki gök cisimlerini gözlemlemek için teleskoplar inşa etmekten daha zorlayıcıydı.

Haupt, “Bu kadar uzaktan ufka baktığınızda atmosfer nedeniyle çok bulanık görünüyor” dedi. “Onu ne kadar büyüttüğünüz veya merceğinizin ne kadar büyük olduğu önemli değil, bu yüzden bunu gerçek zamanlı olarak düzeltmemiz gerekiyor.”

Haupt, ışığın uzayda hareket eden düz bir düzleme benzediğini açıkladı. Ancak çalkantılı atmosferle karşılaştığında uçak kırışıyor. Işığı “kırışıklardan arındırmak” için mühendisler, farklı şekillere bükülebilecek kadar ince aynalar da dahil olmak üzere uyarlanabilir optik teknolojisini kullanıyor. Saniyede binlerce kez bu aynalar, atmosferin neden olduğu kırışmayı gerçek zamanlı olarak giderebilecek belirli şekillere otomatik olarak itilir ve çekilir, böylece net bir son görüntü elde edilir.

Bu teknoloji başlangıçta yer tabanlı teleskoplar tarafından yakalanan görüntüleri keskinleştirmek için geliştirildi; bu aynı zamanda Dünya atmosferinin neden olduğu bozulmaları da telafi etmelidir. Ancak çok daha kısa mesafeye rağmen Brookhaven Laboratuvarı ile Stony Brook Üniversitesi arasında Dünya ile yıldızlar arasında olduğundan çok daha fazla türbülans var. Bunun nedeni, atmosferik türbülansın çoğunun, binaların, ağaçların ve çeşitli arazilerin rüzgarla etkileşime girerek havayı karıştırdığı yere yakın yerlerde meydana gelmesidir.

Çim veya asfalt gibi farklı zemin malzemeleri de güneşten gelen enerjiyi emip farklı oranlarda ısı açığa çıkararak atmosferde daha fazla değişiklik yaratır.

Gökbilimciler yıldızlara baktıklarında, baktıklarının yalnızca küçük bir kısmı son derece çalkantılıdır ve birçok gözlemevi, bozulmaları daha da en aza indirmek için yüksek rakımlara yerleştirilmiştir. FSO bağlantısı ise tam tersine tüm yolculuğu boyunca ışığı türbülanslı zemin katmanına gönderir. Sonuç olarak, uyarlanabilir optik sistemin, ışığın alıcı teleskopa ulaşmasını sağlamak için daha da karmaşık düzeltmeler yapması gerekiyor.

Ancak atmosferik bozulmaların düzeltilmesi sorunun yalnızca bir kısmıdır. Dolaşmış fotonları ağ düğümleri arasında taşıyan lifin çapı yalnızca yaklaşık 5 mikrondur; bu, insan saçı çapının onda birinden azdır.

Fotonları atmosferin 13 mil (21 kilometre) boyunca başarılı bir şekilde iletmek için araştırmacılar, ışığın iğne deliğini 25 inç (0,6 metre) çapa (teleskopun kalbindeki aynanın boyutuna denk gelecek şekilde) genişletmek için gelişmiş uyarlanabilir optik teknikleri kullandılar ve ardından alıcı taraftaki fibere girmek için onu bir iğne deliğine odakladılar.

Bu inanılmaz mühendislik başarılarına rağmen, FSO teleskoplarının en iyi şekilde çalışabilmesi için karşılanması gereken daha sıradan koşullar da var.

Her şeyden önce, Stony Brook Üniversitesi’nin, dolaşık fotonları bir bölgeden diğerine başarılı bir şekilde iletebilmesi için Brookhaven Laboratuvarı’ndan (ve tam tersi) görülebilmesi gerekiyor. Bu nedenle Kuantum Deniz Feneri, Brookhaven Laboratuvarı’ndaki Stony Brook Üniversitesi’ndeki Kuantum Gözetleme Kulesi’ni net bir şekilde gören tek binanın üzerine inşa edilmiştir. Ancak bu aynı zamanda sisin başarılı foton iletimini engellediği anlamına da gelir. Öte yandan güneş, atmosferik türbülansı arttırdığı ve arka plan ışığının bolluğu karşısında iletilen fotonların algılanmasını enstrümantasyonun zorlaştırdığı için de sorunludur.

Haupt, “Bu, çatıdan bir el feneri tutmak gibi bir şey” dedi. “Bunu güneş ışığında göremezsin.” Ancak Haupt, aynı anda yalnızca bir foton gönderdiklerinden normal sensörlerin veya gözlerin geceleri bile ışığı algılayamadığını belirtti. “Biri doğrudan ışının içine bakabilir; ortam görmek veya herhangi bir zarar vermek için çok loş” dedi.

FSO bağlantısının bu ilk aşamalarında, araştırmacılar öncelikle fotonları açık havalarda geceleri göndermeyi planlıyor. Ancak günün herhangi bir saatinde ve her türlü hava koşulunda tek foton iletimini mümkün kılacak teknolojiyi geliştirmeyi hedefliyorlar.

Brookhaven Laboratuvarı Keşif Teknolojileri Yardımcı Laboratuvar Direktörü Gabriella Carini, “FSO bağlantısı, Brookhaven’ın gelişmiş enstrümantasyon, optik ve kuantum bilgi bilimindeki benzersiz uzmanlık kombinasyonunun bir kanıtıdır” dedi. “Fakat bu sadece başlangıç. Oluşturduğumuz altyapı, araştırmacıların kuantum bilimini temel araştırmalardan gerçek dünya teknolojilerine doğru ilerletmesine yardımcı olacak.”

Kuantum geleceği için bir test ortamı

Haupt’a göre, “FSO bağlantısının en heyecan verici kısmı, bu kurulumu kullanarak gerçekten çığır açıcı türden bilimler yapabilmemizdir.”

Örneğin ağa bir uydunun dahil edilmesi, minimum düzeyde yer tabanlı telekomünikasyon altyapısıyla kırsal veya uzak konumlara güvenli kuantum iletişiminin sağlanmasına yardımcı olabilir. Klasik internetin genişlemesine benzer şekilde bu, kuantum ağını bölgesel bir ağdan küresel bir ağ haline getirebilir.

Devlet kurumları ve özel şirketler Amerika Birleşik Devletleri için kuantuma özgü uydular geliştirirken Brookhaven ekibi, Kuantum Deniz Feneri’nden geleneksel uyduları izlemeye başlamayı planlıyor. Bu çabalar, gelecekte bir kuantum uydusunun dahil edilmesi için gereken optik stabilizasyon ve izleme yeteneklerini ortaya koyacaktır.

Bu arada geleneksel bir uyduyla başlamak birçok bakımdan sezgisel bir sonraki adım çünkü Kuantum Deniz Feneri’ndeki mercekler, aynalar ve diğer optik aletler de klasik fizik yasalarına uyuyor. Kuantum bilgisi üretmek veya işlemek yerine, tıpkı yer altı kabloları gibi, ağ düğümleri arasında dolaşık fotonları iletecekler.

Haupt ve meslektaşları sonunda kuantum iletişiminin ötesine geçmeyi ve FSO bağlantısının hangi yeni kuantum algılama yeteneklerinin kilidini açabileceğini keşfetmeyi planlıyor. Bu ilerlemeler, bir gün, tıbbi görüntüleme ve kamera sistemlerinden, evreni benzeri görülmemiş ayrıntılarla araştırabilen astronomik araçlara kadar çeşitli teknolojilerin kullanıma sunulmasını sağlayabilir.

Haupt, “Kuantum algılama umutları beni bilimsel olarak motive ediyor, ancak bu çalışma kişisel olarak da beni harekete geçiriyor” dedi. “Çatılarda lazerler ve büyük teleskoplarla çalışıyorum! Teknolojiyi geliştirmeyi seven biri olarak gerçekten tüm kaşıntılarımı kaşıyor.”