Global-scale quantum networking using hybrid-channel quantum repeaters with relays based on a chain of balloons
تقترح هذه الورقة بنية تحتية عملية لشبكة كمومية على نطاق عالمي تستخدم سلسلة من المرحلات الجوية القائمة على المناطيد بالاقتران مع مكررات كمومية أرضية، مما يثبت أن التعويض الجوي الأمثل يمكنه تحقيق معدلات توزيع تشابك في نطاق أقل من هيرتز واحد عبر مسافة 10,000 كم بكفاءة أعلى بكثير من البدائل القائمة على الأقمار الصناعية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تريد إرسال رسالة سرية للغاية وغير قابلة للكسر إلى صديق لك في الطرف الآخر من العالم. في عالم التكنولوجيا "الكمومية"، تتكون هذه الرسالة من جسيمات ضوئية تسمى الفوتونات، وهي مرتبطة ببعضها بطريقة خاصة تسمى "التشابك". إذا قمت بتغيير أحدها، يتغير الآخر فوراً، بغض النظر عن المسافة. هذا هو أساس "الإنترنت الكمومي" المستقبلي.
ومع ذلك، هناك مشكلة ضخمة: المسافة.
إذا حاولت إرسال هذه الرسائل الكمومية الحساسة عبر كابلات الألياف الضوئية (الأسلاك الزجاجية الموجودة تحت المحيطات والشوارع)، فإن الإشارة تتلاشى بعد حوالي 100 ميل. الأمر يشبه محاولة الهمس بسر عبر ملعب مزدحم؛ فالضجيج والمسافة يقتلان الرسالة.
حاول العلماء استخدام الأقمار الصناعية لسد الفجوة، لكن الأقمار الصناعية مكلفة، وتعمل لفترات زمنية قصيرة فقط، ولا تزال تعاني مع الغلاف الجوي.
الفكرة الجديدة: "سلسلة المناطيد"
تقترح هذه الورقة حلاً ذكياً ومنخفض التكلفة: سلسلة من المناطيد عالية الارتفاع.
تخيل الغلاف الجوي للأرض مثل حساء كثيف ومضطرب بالقرب من الأرض. إذا حاولت إرسال شعاع ليزر عبر هذا "الحساء"، فسيتم تشتيته وضياعه. ولكن إذا صعدت إلى الستراتوسفير (على ارتفاع حوالي 15 ميلاً)، فسيكون الهواء أخف وأكثر هدوءاً.
تقترح الورقة إطلاق سلسلة من المناطيد، تحلق في هذا الارتفاع العالي، لتعمل كـ "محطات تقوية".
- التشبيه: تخيل محاولة تمرير دلو من الماء عبر صف طويل من الناس. إذا كان الناس يقفون في حقل طيني (الأرض)، فسوف يسكبون الماء. ولكن إذا وقفوا على طريق سريع سلس ومستوٍ (الستراتوسفير)، فيمكنهم تمرير الدلو بشكل أسرع وبأقل قدر من الانسكاب.
- الخدعة السحرية: توضح الورقة أنه باستخدام "البصريات التكيفية" الخاصة (مرايا ذكية تهتز لتصحيح شعاع الليزر المتذبذب الناتج عن الرياح) وتوجيه الليزر بعناية، يمكن لهذه المناطيد تمرير الإشارة الكمومية مع فقدان شبه معدوم. في الواقع، وجدوا أن سلسلة المناطيد هذه أكثر كفاءة بـ 12 مرة من استخدام الأقمار الصناعية لنفس المهمة.
الشبكة "الهجينة": المطار والتاكسي
إرسال رسالة من نيويورك إلى طوكيو لا يتعلق فقط بالرحلة الطويلة؛ بل يتعلق أيضاً بالوصول إلى المطار والانتقال من المطار إلى فندقك.
تقترح الورقة شبكة هجينة تجمع بين أفضل ما في العالمين:
- "التاكسي" (الألياف الضوئية): يتصل جهازك الكمومي المحلي (مثل حاسوب كمومي في مدينتك) بمحطة أرضية محلية عبر كابلات الألياف الضوئية القياسية. هذا سريع وموثوق للمسافات القصيرة.
- "الطائرة" (المناطيد): تتواصل المحطات الأرضية مع بعضها البعض باستخدام سلسلة المناطيد. هذا الجزء يتولى الرحلة الضخمة لمسافة 10,000 كم عبر القارات.
"المكررات الكمومية": بنوك الذاكرة
هذا هو الجزء الصعب: لا يمكنك مجرد نسخ رسالة كمومية (مثل ملف رقمي) لأن قوانين الفيزياء تقول إنك لا تستطيع ذلك. فكيف ترسلها لمسافة 10,000 كم؟
تستخدم المكررات الكمومية.
- التشبيه: تخيل سباق تتابع. بدلاً من أن يحاول عداء واحد الركض لمسافة 10,000 كم (وهو أمر مستحيل)، يكون لديك العديد من العدائين. العداء (أ) يركض 100 كم، ثم يسلم العصا للعداء (ب)، الذي يركض الـ 100 كم التالية، وهكذا.
- العقبة: في الفيزياء الكمومية، تكون "العصا" (التشابك) هشة. إذا لم يكن العداء (ب) مستعداً عندما يصل العداء (أ)، فإن العصا تختفي.
- الحل: تمتلك المحطات الأرضية "ذاكرة كمومية". هذه الذاكرة تشبه "المجمدات" التي يمكنها إيقاف الحالة الكمومية مؤقتاً. يضع العداء (أ) العصا في المجمد، وينتظر حتى يصبح العداء (ب) مستعداً، ثم يقومان بتبادل العصا.
تثبت الورقة أنه باستخدام نوع معين من البلورات الذاكرية (بلورات السيليكات المطعمة بالأوروبيوم) التي تم اختبارها بالفعل في المختبرات، يمكن لهذا النظام أن يعمل. لقد قاموا بمحاكاة اتصال بين شخصين تفصل بينهما مسافة 10,000 كم ووجدوا أنهم يستطيعون مشاركة الأزواج المتشابكة بنجاح بمعدل مرة واحدة في الثانية تقريباً.
لماذا هذا مهم؟
- إنه أرخص: المناطيد أقل تكلفة بكثير في البناء والإطلاق من الأقمار الصناعية.
- إنه أسرع: تبقى المناطيد في الجو لفترات أطول وتتمتع برؤية أفضل من الأقمار الصناعية التي تمر بسرعة.
- إنه واقعي: التكنولوجيا التي نحتاجها (البلورات، الليزر، المرايا) موجودة بالفعل. نحن لا نحتاج لانتظار اختراعات من الخيال العلمي.
باخت-صار
تقترح هذه الورقة أنه يمكننا بناء إنترنت كمومي عالمي عن طريق ربط سلسلة من المناطيد عالية التحليق. تعمل هذه المناطيد كطريق سريع هاد وعالي السرعة في السماء، يربط شبكات الألياف المحلية على الأرض. ومن خلال استخدام مرايا ذكية لتصحيح تأثير الرياح و"مجمدات" كمومية لحفظ الرسائل، يمكننا أخيراً إرسال الأسرار الكمومية عبر الكوكب بأكمله، مما يمهد الطريق لاتصالات غير قابلة للاختراق وحواسيب موزعة فائقة القوة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.