მეცნიერებისთვის უკვე მრავალი წელია ცნობილია, რომ არაწრფივი ოპტიკური პროცესების გამოყენებამ შეიძლება კვანტური საკომუნიკაციო სისტემები უფრო სანდო და შეცდომებისადმი რეზისტენტული გახადოს. ამისდა მიუხედავად, ადრეული მცდელობები წარუმატებელი აღმოჩნდა — სისტემებს სინათლის ექსტრემალურად დაბალ დონეებზე მუშაობა არ შეეძლო. კვანტური კომუნიკაციისთვის კი სწორედ ასეთი დონეებია საჭირო.

ახალ კვლევაში ილინოისის ერბანა-შამპეინის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა მნიშვნელოვანი მიგნება წარმოადგინეს. მათ არაწრფივი სისტემა ინდიუმ-გალიუმ-ფოსფიდის ნანოფოტონური პლატფორმით ააგეს. ამან ეფექტიანობა საგრძნობლად გაზარდა. მათი მიდგომა გაცილებით ნაკლები სინათლის გამოყენებით მუშაობს — ერთეული ფოტონებითაც კი.

"ჩვენი არაწრფივი სისტემა კვანტურ ინფორმაციას 94%-იანი სიზუსტით გადასცემს. წრფივი ოპტიკური კომპონენტების გამოყენების შემთხვევაში კი თეორიული ზღვარი 33%-ია. ეს კვანტური კომუნიკაციისთვის არაწრფივი ოპტიკის გამოყენების უპირატესობას კიდევ უფრო მეტად უსვამს ხაზს. ეფექტიანობა ის ძირითადი პრობლემაა, რომლის გადაჭრასაც ვცდილობთ. ნანოფოტონური პლატფორმის გამოყენებამ ეფექტიანობის ზრდის ის მაჩვენებელი წარმოადგინა, რომელიც აღნიშნულ ტექნოლოგიას იმედისმომცემს ხდის", — აღნიშნავს ილინოისის უნივერსიტეტის ელექტრული და კომპიუტერული ინჟინერიის პროფესორი, ქეძიე ფანგი.

კვანტური ინფორმაცია ქსელებში კვანტური ტელეპორტაციის პროტოკოლით გადაიცემა. ამ პროცესში კვანტური გადახლართულობის ფენომენი გამოიყენება — მდგომარეობა, რომელშიც ორი კვანტური ობიექტი, როგორც წესი, ერთეული ფოტონები, მაშინაც კი ურთიერთქმედებს, როცა მათ შორის ფიზიკურად ხილული კავშირი არ არსებობს. ეს მექანიზმი კვანტური ინფორმაციის საკომუნიკაციო არხის გარეშე გადაცემის საშუალებას იძლევა. ამ პროცედურის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ გარე ხმაურისა და არხის გაუმართაობის გავლენა მნიშვნელოვნად მცირდება.

არსებობს ორი ფაქტორი, რომელიც კვანტური ტელეპორტაციის ეფექტიანობას ზღუდავს. პირველი: სტანდარტული, წრფივი ოპტიკური კომპონენტების გამოყენება გადაცემის სირთულეებს თავად წარმოქმნის. მეორე — გადახლართული ფოტონები არასრულყოფილი პროცესით გენერირდება. ეს კი შეცდომებსა და ზედმეტ ხმაურს აჩენს. განსაკუთრებით გავრცელებულია შემთხვევა, როდესაც გადახლართულობის წყაროები ერთდროულად ერთზე მეტ ფოტონთა წყვილს წარმოქმნის. შედეგად კი გაურკვეველია, ტელეპორტაციაში გამოყენებული ორი ფოტონი ნამდვილად გადახლართულია თუ არა.

"მრავალფოტონური ხმაური ყველა რეალურ გადაბმის წყაროში გვხვდება. ეს კი კვანტურ ქსელებს სერიოზულ პრობლემას უქმნის. არაწრფივი ოპტიკის მთავარი ხიბლი ისაა, რომ ის ფიზიკური მექანიზმის წყალობით მრავალფოტონური ხმაურის ზემოქმედებას ამცირებს. შედეგად არასრულყოფილი გადაბმის წყაროების გამოყენებაც კი შესაძლებელი ხდება", — განაცხადა ელიზაბეთ გოლდშმიდტმა, ილინოისის უნივერსიტეტის ფიზიკის პროფესორმა და კვლევის თანაავტორმა.

არაწრფივი ოპტიკური კომპონენტების დახმარებით სხვადასხვა სიხშირის ფოტონები ერთიანდება. შედეგად კი ახალი ფოტონები წარმოიქმნება. კვანტური ტელეპორტაციისთვის გამოყენებული არაწრფივი პროცესი ე.წ. ჯამური სიხშირის გენერაციაა (SFG) — ამ დროს ორი ფოტონის სიხშირეების შერწყმით ახალი ფოტონი წარმოიქმნება. მეორე მხრივ, ამ პროცესის განხორციელებისთვის საწყის ორ ფოტონს კონკრეტულად განსაზღვრული საწყისი სიხშირეები უნდა ჰქონდეს.

კვანტურ ტელეპორტაციაში SFG-ს გამოყენებისას პროტოკოლი იმ შემთხვევაში არ გრძელდება, თუ ერთი და იმავე სიხშირის ორი ფოტონი დაფიქსირდება. ეს პროცესი იმ ტიპის ხმაურს ფილტრავს, რომელიც უმეტესად გადაბმული ფოტონების წყაროებში გვხვდება. შედეგად ტელეპორტაციის სიზუსტე მნიშვნელოვნად იზრდება — ბევრად მეტად, ვიდრე ეს სხვა შემთხვევაში იქნებოდა შესაძლებელი. ამისდა მიუხედავად, ამ მიდგომას სუსტი მხარეც აქვს — SFG-ს გარდაქმნის ალბათობა ძალიან დაბალია. ეს კი ტელეპორტაციის პროცესს ძალზე არაეფექტიანს ხდის.

სწორედ SFG პროცესის ეფექტიანობის დაბალი ალბათობის გამო არ იყო ეს პროცესი აქამდე კარგად გამოკვლეული. ადრე საუკეთესო მიღწევა 100 მილიონიდან 1 გარდაქმნა იყო. ახალ ნაშრომში კი მკვლევრებმა გარდაქმნის ეფექტიანობა 10 000-ჯერ გაზარდეს — ნანოფოტონური პლატფორმის გამოყენებით 10 000 შემთხვევიდან 1 გარდაქმნას მიაღწიეს.

მკვლევრები იმედოვნებენ, რომ დროთა განმავლობაში არაწრფივი ოპტიკური კომპონენტების გამოყენება კვანტურ ტელეპორტაციას კიდევ უფრო ეფექტიანს გახდის. მათი აზრით, სამომავლოდ ეს ტექნოლოგია კვანტური კომუნიკაციის სხვა პროტოკოლებშიც დაინერგება.

კვლევა გამოცემაში Physical Review Letters გამოქვეყნდა.