Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers
تقدم هذه الورقة أول عرض للتشابك المُبَشَّر المعزز بالتعدد الإرسالي بين عقدتين كموميتين من الأيونات المحتجزة عبر 1.2 كم من الألياف، محققةً تسارعاً بمقدار 4.59 ضعفاً في معدل التوليد ودقة بلغت 95.9% من خلال استخدام 10 أنماط فوتونية زمنية.
المؤلفون الأصليون:Z. B. Cui, Z. Q. Wang, P. Y. Liu, Y. Wang, P. C. Lai, J. X. Shi, Y. D. Sun, Z. C. Tian, H. S. Sun, Y. B. Liang, B. X. Qi, Y. Y. Huang, Z. C. Zhou, Y. K. Wu, Y. Xu, Y. F. Pu, L. M. Duan
المؤلفون الأصليون: Z. B. Cui, Z. Q. Wang, P. Y. Liu, Y. Wang, P. C. Lai, J. X. Shi, Y. D. Sun, Z. C. Tian, H. S. Sun, Y. B. Liang, B. X. Qi, Y. Y. Huang, Z. C. Zhou, Y. K. Wu, Y. Xu, Y. F. Pu, L. M. Duan
يعتمد حلم الإنترنت الكمي على اتصال واحد هش: القدرة على ربط آلتين متباعدتين بحيث تتشاركان حالة سرية، وهي ظاهرة تُعرف باسم التشابك. تخيل عملتين معدنيتين، مهما بلغت المسافة بينهما، تسقطان دائمًا على وجهين متضادين عند قلبهما؛ في العالم الكمي، يمكن للجسيمات أن تترابط بهذه الطريقة، مما يشكل العمود الفقري لتقنيات مستقبلية مثل الاتصالات غير القابلة للاختراق والحواسيب الموزعة القوية. ومع ذلك، فإن بناء هذه الشبكة أمر صعب للغاية لأن الإشارة التي تحمل الاتصال تضعف وتضيع أثناء انتقالها عبر كابلات الألياف الضوئية، خاصة عبر المسافات الطويلة. ولجعل هذه الروابط تعمل، يجب على العلماء إنشاء الاتصال بسرعة وموثوقية قبل أن تتلاشى الإشارة، وهو تحدٍ حدّ لفترة طويلة من نطاق التجارب الكمية لتقتصر على إعدادات محلية صغيرة.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة تسينغهوا الآن خطوة كبيرة للأمام من خلال استعراض طريقة لتسريع هذه العملية باستخدام تقنية تسمى "التعدد" (multiplexing). فقد نجحوا في إنشاء رابط متشابك بين عقدتين كميتين من الأيونات المحاصرة تفصل بينهما 1.2 كيلومتر من الألياف الضوئية. في تجربتهم، استخدم العلماء أيونات الكالسيوم، وهي ذرات منفردة مثبتة في مكانها بواسطة مجالات كهرومغناطيسية، كعقد كمية. احتوت كل عقدة على أيون واحد، واستخدم الباحثون استراتيجية ذكية للتغلب على بطء سرعة الضوء وانخفاض احتمالية النجاح في إنشاء الاتصال. فبدلاً من محاولة إنشاء الرابط مرة واحدة والانتظار لمعرفة ما إذا كان قد نجح، أرسلوا عشر محاولات متتالية سريعة في جولة واحدة. وقد منحهم هذا النهج عشر فرص للنجاح حيث لم يكن لديهم سوى فرصة واحدة سابقًا، مما أدى إلى تسريع معدل إنشاء هذه الروابط بشكل كبير.
تضمن الإعداد موقعين متميزين، أُطلق عليهما اسم "أليس" و"بوب"، يقعان على بعد مترين في المختبر ولكنهما متصلان بمحطة قياس مركزية عبر 600 متر من الألياف على كل جانب، مما يخلق مسارًا إجماليًا قدره 1.2 كيلومتر. بدأت العملية بإثارة الأيونات بنبضات ليزر، مما تسبب في انبعاث فوتونات، أو جسيمات ضوء. انتقلت هذه الفوتونات عبر الألياف إلى المركز، حيث تم قياسها. وإذا رصدت الكواشف في المركز نمطًا معينًا من الضوء، فإن ذلك يشير إلى أن الأيونات المتباعدة قد تشابكت. ولأن سرعة الضوء تحد من سرعة انتقال المعلومات ذهابًا وإيابًا، اضطر الباحثون للانتظار حتى تعود إشارة التأكيد لمعرفة ما إذا كانت المحاولة ناجحة. ومن خلال استخدام عشرة أنماط زمنية، أو عشر فترات زمنية متميزة لهذه المحاولات، تمكنوا من زيادة سرعة توليد هذه الروابط بمعامل قدره 4.59 مقارنة باستخدام محاولة واحدة في كل مرة.
لم تكن النتائج أسرع فحسب، بل كانت دقيقة بشكل ملحوظ أيضًا. فقد قاس الفريق جودة التشابك ووجدوا "دقة" (fidelity) بلغت 95.9 بالمائة، مما يعني أن الاتصال كان قريبًا جدًا من الحالة النظرية المثالية. وتعد هذه الدرجة من الدقة ملحوظة لأنها تحققت عبر مسافة أطول بكثير من الأرقام القياسية السابقة لهذا النوع من الأنظمة، والتي كانت تقتصر على بضع مئات من الأمتار فقط. كما أكد الباحثون أن الأيونات يمكنها الاحتفاظ بهذه الحالة الكمية لمئات الملي ثانية، وهي مدة كافية لإجراء عمليات أخرى. وتعد هذه المتانة أمرًا بالغ الأهمية لتوسيع نطاق الشبكة، حيث تتيح الوقت للنظام لمعالجة المعلومات وتصحيح الأخطاء.
يمثل هذا العمل المرة الأولى التي يُستخدم فيها هذا النوع من "التعدد" لتعزيز التشابك بين الأيونات المحاصرة عبر رابط ألياف طويل. وبينما أظهرت تجارب سابقة مع أنواع أخرى من المواد سرعات مماثلة، تثبت هذه الدراسة أن الطريقة تعمل مع الأيونات، المعروفة باستقرارها ودقتها العالية. استخدم الباحثون تصميمًا مزدوج النوع لعقدهم، حيث يتم فصل الجزء المستخدم من الأيون للاتصال عن الجزء المستخدم للذاكرة، وهي ميزة ستسمح لهم بإضافة المزيد من الأيونات والكيوبتات في المستقبل دون تعطيل النظام. ومن خلال الجمع بين هذه البنية وتقنية التعدد، أنشأ الفريق لبنة بناء قوية لشبكة كمية أكبر. وتشير النتائج إلى أنه مع إجراء المزيد من التحسينات لتقليل الضوضاء التقنية، مثل عدم استقرار الليزر أو أخطاء الطور، يمكن للدقة أن تتجاوز 99 بالمائة، مما يقرب رؤية إنترنت كمي واسع النطاق وعملي خطوة أخرى نحو الواقع.
ملخص تقني: تشابك أيوني-أيوني متعدد الإرسال عبر ألياف بطول 1.2 كيلومتر
بيان المشكلة يعتمد تحقيق الشبكات والمنبهات الكمومية واسعة النطاق على التأسيس الفعال وعالي الدقة للتشابك المُرصَد (heralded entanglement) بين العقد الكمومية البعيدة. وتتمثل إحدى العقبات الرئيسية في هذه العملية في الكفاءة المحدودة لتوليد التشابك بين المادة والمادة عبر مسافات طويلة، لا سيما لأن معدل المحاولة مقيد جوهرياً بزمن الذهاب والإياب للاتصال (L/c) في الألياف الضوئية. وبينما تم اقتراح استراتيجيات تعدد الإرسال (multiplexing) لتسريع توزيع التشابك من خلال زيادة محاولات التشابك المتزامنة، فإن التجارب السابقة التي أظهرت تشابك المادة والمادة المعزز بتعدد الإرسال كانت مقتصرة على الأنظمة الحالة الصلبة. علاوة على ذلك، فإن الأرقام القياسية الحالية للتشابك بين المادة والمادة عبر مسافات الألياف التي تتجاما مختبرات المختبر (تتجاوز 520 متراً) ظلت محدودة بنحو 90% عبر جميع المنصات الفيزيائية. وعلى الرغم من أن أنظمة الأيونات المحتجزة تمتلك أرقاماً قياسية في البوابات عالية الدقة وأزمنة التماسك الطويلة، إلا أنها لم تكن قد أثبتت بعد التشابك متعدد الإرسال عبر مسافات الألياف الممتدة.
المنهجية قام المؤلفون ببناء شبكة كمومية تتكون من عقدتين بعيدتين، "أليس" و"بوب"، تحتوي كل منهما على أيون واحد من نوع 40Ca+. كانت العقدتان تفصل بينهما مسافة مترين فيزيائياً، لكنهما متصلتان بألياف ضوئية يبلغ مجموع طولها 1.2 كم (600 متر لكل عقدة وصولاً إلى محطة قياس مركزية).
ترميز ثنائي النوع: يستخدم النظام مخطط ترميز ثنائي النوع لفصل الفضاء الجزئي لـ "الكيوبت الاتصالي" (والذي يشمل الحالات ∣S1/2⟩ و ∣D3/2⟩ و ∣P1/2⟩) عن الفضاء الجزئي لـ "كيوبت الذاكرة" (والذي يشمل الحالة ∣D5/2⟩). هذا العزل الطيفي يسمح للعمليات التبددية (التبريد، الضخ، إثارة التشابك، والكشف) بالحدوث في الفضاء الجزئي للاتصال دون التأثير على المعلومات الكمومية المخزنة في الفضاء الجزئي للذاكرة.
توليد التشابك بين الأيون والفوتون: تبدأ العملية بالضخ الضوئي لتهيئة الأيون. تقوم نبضة ليزر بيكوثانية بطول موجي 397 نانومتر بإثارة الأيون إلى حالة ∣P1/2⟩. يضمحل الأيون تلقائياً إلى مستوى ∣D3/2⟩ بنسبة تفرع منخفضة تبلغ 6%، مما يؤدي إلى انبعاث فوتون بطول موجي 866 نانومتر. يتم تشابك استقطاب هذا الفوتون مع حالة الأيون. لاحقاً، تقوم نبضات رامان بنقل هذا التشابك إلى الفضاء الجزئي لكيوبت الذاكرة (∣D5/2⟩).
مخطط تعدد الإرسال: للتغلب على نسبة التفرع المنخفضة والتأخير الناتج عن طول الألياف، استخدم المؤلفون تعدد الإرسال الزمني. بدلاً من محاولة إثارة واحدة لكل دورة، قاموا بتنفيذ كتلة من 30 جولة، حيث تضمنت كل جولة 10 دورات متتالية من "الإثارة-الضخ". وقد استغل هذا عشرة أنماط فوتونية زمنية. ومن الأهمية بمكان أنه تم إجراء الضخ الضوئي الوسيط باستخدام ليزر 397 نانومتر فقط للحفاظ على التعداد السكاني في مستوى ∣D3/2⟩ إذا نجحت عملية إثارة سابقة، مما سمح بإعادة استخدام التعداد لزيادة نسبة التفرع الفعالة.
الرصد والتغذية الأمامية (Heralding and Feedforward): تُرسل الفوتونات من كلتا العقدتين إلى محطة مركزية لإجراء قياس حالة بيل (BSM) ثنائي الفوتون. يقوم معالج دقيق ("QNetWorker") بتحليل نقرات الكاشف لتحديد نمط المصادفة المحدد المقابل لحالة بيل ∣Ψ+⟩. عند الكشف، تُرسل إشارة رصد عائدة إلى العقد المحلية عبر نفس طول الألياف لمحاكاة زمن الذهاب والإياب الواقعي. ثم تطبق المتحكمات المحلية نبضات رامان لإنهاء تشابك الأيون-الأيون بناءً على إشارة الرصد.
المساهمات والنتائج الرئيسية
أول تشابك أيوني محتجزة متعدد الإرسال: يقدم هذا العمل أول تحقيق تجريبي للتشابك المرصَد المعزز بتعدد الإرسال بين عقدتي شبكة كمومية للأيونات المحتجزة.
رقم قياسي للمسافة: نجحت التجربة في إنشاء تشابك عبر 1.2 كم من الألياف، متجاوزة الرقم القياسي السابق للأيونات المحتجزة البالغ 520 متراً.
تعزيز الكفاءة: من خلال تعدد إرسال 10 أنماط فوتونية زمنية، حقق النظام تسريعاً بمقدار 4.59 ضعفاً في توليد التشابك بين الأيون والأيون مقارنة بحالة النمط الواحد. لوحظ أن عامل التعزيز يقترب من التشبع عند 10 أنماط بسبب ديناميكيات التعداد السكاني لمستويات ∣S1/2⟩ و ∣D3/2⟩.
دقة عالية: حققت التجربة دقة تشابك بين الأيون والأيون بلغت 95.9 ± 1.5% عبر مسافة 1.2 كم. وهذا يضع رقماً قياسياً جديداً لدقة التشابك المرصَد بين المادة والمادة عبر أطوال ألياف ممتدة عبر جميع المنصات الفيزيائية، وهو أمر تنافسي مع الإعدادات المختبرية.
قابلية النظام للتوسع: أظهر المؤلفون بنية ثنائية النوع، وبالرغم من استخدام أيون واحد لكل عقدة في هذه التجربة، إلا أنها مصممة بطبيعتها لدعم التوسع المستقبلي إلى كيوبتات متعددة لكل عقدة وشبكات متعددة العقد.
الأهمية تضع هذه الورقة حجر زاوية حرج لشبكات كمومية واسعة النطاق في المستقبل من خلال إثبات أن تعدد الإرسال يمكن أن يتغلب بفعالية على قيود الكفاءة لتوزيع التشابك عبر المسافات الطويلة في أنظمة الأيونات المحتجزة. إن الجمع بين الدقة العالية (95.9%) والتسريع الكبير (4.59 ضعفاً) عبر رابط بطول كيلومتر واحد يؤكد جدوى استخدام الأيونات المحتجزة كمنبهات كمومية عملية. ويشير المؤلفون إلى أن عدم الدقة الحالي يعود أساساً إلى العيوب التقنية (مثل انزياح رامان، أخطاء الطور، عدم استقرار الليزر، إلخ)، بدلاً من الحدود الجوهرية، مما يشير إلى أن التحسين الإضافي قد يدفع الدقة لتتجاوز 99%. كما تمهد البنية التي تم عرضها الطريق لدمج مخططات تعدد إرسال إضافية (مثل نقل الأيونات ومصفوفات الألياف) والتوسع إلى عشرات الكيلومترات باستخدام تحويل التردد الكمومي، مما يدعم في النهاية مهام متقدمة مثل تنقية التشابك وعقد المنبهات الكمومية الوظيفية بالكامل.