Με το να δίνουν στο φως πολύπλοκες κβαντικές μορφές, οι επιστήμονες ξεκλειδώνουν νέους τρόπους μετάδοσης πληροφοριών, ταχύτερου υπολογισμού και καθαρότερης όρασης. Η τεχνολογία είναι πλέον αρκετά ώριμη για να ξεπεράσει τα όρια του εργαστηρίου και να περάσει σε πρακτικές εφαρμογές. Φωτογραφία: SciTechDaily.com
Τι συμβαίνει όταν το φως αποκτά επιπλέον διαστάσεις; Φωτόνια με υπερδυνάμεις μπορούν να αλλάξουν τα πάντα στην τεχνολογία
Το διαμορφωμένο κβαντικό φως μετατρέπει τα κοινά φωτόνια σε ισχυρά εργαλεία για το μέλλον της τεχνολογίας. Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, συμπεριλαμβανομένων ερευνητών από το Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης (UAB), δημοσίευσε μια νέα ανασκόπηση στο περιοδικό Nature Photonics, εξερευνώντας έναν ταχέως αναπτυσσόμενο ερευνητικό τομέα που ονομάζεται κβαντικό δομημένο φως (quantum structured light).
Αυτό το πεδίο αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο η πληροφορία μπορεί να αποσταλεί, να μετρηθεί και να υποστεί επεξεργασία, συνδυάζοντας την κβαντική φυσική με προσεκτικά σχεδιασμένα πρότυπα φωτός στον χώρο και τον χρόνο. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν φωτόνια ικανά να μεταφέρουν πολύ περισσότερες πληροφορίες από το παραδοσιακό φως.
Από τα Qubits σε Κβαντικές Καταστάσεις Υψηλότερων Διαστάσεων
Η ανασκόπηση εξηγεί ότι το φως μπορεί να ελεγχθεί μέσω πολλών ιδιοτήτων ταυτόχρονα, συμπεριλαμβανομένης της πόλωσης, των χωρικών τρόπων (spatial modes) και της συχνότητας. Με τον χειρισμό αυτών των διαφορετικών βαθμών ελευθερίας, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν κβαντικές καταστάσεις υψηλών διαστάσεων.
Σε αυτά τα συστήματα, τα γνωστά qubits (δισδιάστατα, με φωτόνια σε υπέρθεση δύο κβαντικών καταστάσεων) αντικαθίστανται από τα qudits (με περισσότερες από δύο διαστάσεις). Αυτή η μετατόπιση διευρύνει σημαντικά το φάσμα των δυνατοτήτων για τις κβαντικές τεχνολογίες.
Στην κβαντική επικοινωνία, αυτά τα φωτόνια υψηλών διαστάσεων βελτιώνουν την ασφάλεια, επειδή κάθε φωτόνιο μπορεί να μεταφέρει περισσότερες πληροφορίες. Καθιστούν επίσης δυνατή τη λειτουργία πολλών καναλιών επικοινωνίας ταυτόχρονα, ενώ παράλληλα βελτιώνουν την αντίσταση στα σφάλματα και τον θόρυβο περιβάλλοντος.
Για την κβαντική υπολογιστική, το δομημένο φως επιτρέπει απλούστερα και ταχύτερα σχέδια κυκλωμάτων και διευκολύνει τη δημιουργία των σύνθετων κβαντικών καταστάσεων που απαιτούνται για προηγμένες προσομοιώσεις.
Το κβαντικό δομημένο φως ανοίγει επίσης νέους δρόμους στην απεικόνιση και τη μετρολογία. Οι συγγραφείς επισημαίνουν σημαντικές βελτιώσεις στις τεχνικές ανάλυσης, συμπεριλαμβανομένης της πρόσφατης ανάπτυξης του ολογραφικού κβαντικού μικροσκοπίου, το οποίο επιτρέπει τη λήψη εικόνων από ευαίσθητα βιολογικά δείγματα. Η προσέγγιση αυτή υποστηρίζει επίσης τη δημιουργία εξαιρετικά ευαίσθητων αισθητήρων που βασίζονται στους κβαντικούς συσχετισμούς.
Πέρα από την απεικόνιση και την ανίχνευση, το δομημένο φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση πολύπλοκων κβαντικών συστημάτων. Αυτές οι προσομοιώσεις μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να προβλέψουν πώς αλληλεπιδρούν τα μόρια μέσα σε δίκτυα, μια ικανότητα που θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανακάλυψη και τον σχεδιασμό νέων υλικών.
Ο καθηγητής Andrew Forbes, κύριος συγγραφέας από το Πανεπιστήμιο Witwatersrand στο Γιοχάνεσμπουργκ, αναφέρει ότι ο τομέας έχει εξελιχθεί δραματικά τα τελευταία είκοσι χρόνια.
«Η προσαρμογή των κβαντικών καταστάσεων, όπου το κβαντικό φως σχεδιάζεται για έναν συγκεκριμένο σκοπό, έχει επιταχυνθεί τελευταία, αρχίζοντας επιτέλους να δείχνει τις πλήρεις δυνατότητές του. Πριν από είκοσι χρόνια, η “εργαλειοθήκη” γι’ αυτό ήταν ουσιαστικά άδεια. Σήμερα διαθέτουμε ενσωματωμένες σε τσιπ (on-chip) πηγές κβαντικού δομημένου φωτός που είναι συμπαγείς και αποδοτικές, ικανές να δημιουργούν και να ελέγχουν κβαντικές καταστάσεις».
Παρά την πρόοδο αυτή, οι προκλήσεις παραμένουν. «Παρόλο που έχουμε σημειώσει εκπληκτική πρόοδο, υπάρχουν ακόμη δύσκολα ζητήματα», λέει ο Forbes. «Η εμβέλεια της απόστασης με το δομημένο φως, τόσο στο κλασικό όσο και στο κβαντικό επίπεδο, παραμένει πολύ χαμηλή, αλλά αυτό αποτελεί επίσης μια ευκαιρία, δίνοντας το έναυσμα για την αναζήτηση πιο αφηρημένων βαθμών ελευθερίας προς αξιοποίηση».
Σύμφωνα με τον ερευνητή Adam Vallés από την Ομάδα Οπτικής του Τμήματος Φυσικής του UAB, ο κλάδος έχει φτάσει σε μια κρίσιμη στιγμή. «Βρισκόμαστε σε ένα σημείο καμπής: το κβαντικό δομημένο φως δεν αποτελεί πλέον απλώς μια επιστημονική περιέργεια, αλλά ένα εργαλείο με πραγματικές δυνατότητες να μετασχηματίσει τις επικοινωνίες, την πληροφορική και την επεξεργασία εικόνας».
Ο Vallés υπογραμμίζει επίσης τον ηγετικό ρόλο του UAB σε αυτόν τον τομέα μέσω της συνεργασίας του με τον Forbes, επισημαίνοντας επιτεύγματα με μεγάλο διεθνή αντίκτυπο, όπως η διεγειρόμενη τηλεμεταφορά κβαντικών πληροφοριών κωδικοποιημένων σε υψηλές διαστάσεις, ο σχεδιασμός κοιλοτήτων λέιζερ για τη δημιουργία σύνθετων καταστάσεων υψηλής καθαρότητας και, στον τομέα της κρυπτογραφίας, η διανομή ισχυρών κβαντικών κλειδιών απέναντι σε εμπόδια που μπλοκάρουν τα κανάλια επικοινωνίας.
Η ανασκόπηση, η οποία αποτελεί το κεντρικό θέμα στο εξώφυλλο του τεύχους αυτού του μήνα του περιοδικού Nature Photonics, αντανακλά μια μακροχρόνια συνεργασία μεταξύ του Vallés και της ερευνητικής ομάδας δομημένου φωτός υπό την καθοδήγηση του Forbes στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου Witwatersrand στο Γιοχάνεσμπουργκ της Νότιας Αφρικής.
Το έργο υποστηρίχθηκε επίσης από την Κβαντική Ακαδημία της Καταλονίας (CQA), μια συνεργατική πρωτοβουλία που συντονίζεται από το Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών (ICFO) και προωθείται από την κυβέρνηση της Καταλονίας. Η ακαδημία επικεντρώνεται στην ενίσχυση της εκπαίδευσης και της ανάπτυξης ταλέντων στις κβαντικές επιστήμες και τεχνολογίες σε ολόκληρη την Καταλονία.