Optimising physical parameters of a quantum network based on a loss-jitter trade-off

تخيل عالماً لا تنتقل فيه المعلومات كنبضات كهربائية أو موجات راديوية، بل كجسيمات ضوئية فردية، تحمل أسراراً لا يمكن نسخها أو اعتراضها دون اكتشاف ذلك. هذا هو الوعد الذي تقدمه الشبكات الكمومية، وهي تقنية يجري بناؤها حالياً لتأمين الاتصالات وربط الحواسيب الكمومية المستقبلية. ومع ذلك، فإن إرسال هذه الجسيمات الهشة عبر الألياف الزجاجية التي تشكل الإنترنت العالمي لدينا ليس بالأمر السهل على الإطلاق. فبينما ينتقل الضوء، فإنه يضعف، ويتشتت في الوقت، ويرتبك بسبب العيوب الصغيرة في الكواشف التي تلتقطه. واجه الباحثون في جامعة بريستول سؤالاً جوهرياً: كيف تضبط خصائص هذه الإشارات الضوئية للحصول على أكبر قدر من المعلومات عبر كابل الألياف الضوئية دون فقدانها بسبب الضجيج أو التأخير؟ وقد اكتشفوا أنه لا يوجد إعداد واحد "أفضل" لكل حالة؛ بدلاً من ذلك، يعتمد الخيار المثالي تماماً على المسافة التي يجب أن تقطعها الإشارة ومدى دقة معدات التوقيت.

لفهم التحدي، يجب على المرء أولاً استيعاب طبيعة الإشارة. في هذه الشبكات، غالباً ما تُحمل المعلومات بواسطة أزواج من الفوتونات المتشابكة، وهي جسيمات مرتبطة ببعضها بحيث يكشف قياس أحدها فوراً عن حالة الآخر، بغض النظر عن المسافة. والهدف هو إرسال هذه الأزواج من مصدر مركزي إلى مستخدمين مختلفين. وتنشأ المشكلة لأن كابلات الألياف الضوئية المستخدمة لحركة مرور الإنترنت القياسية ليست مثالية. فبينما تنتقل الفوتونات، فإنها تعاني من عدوين رئيسيين: الفقد والتشتت. يعني الفقد أن الفوتونات ببساطة تختفي، حيث يتم امتصاصها من قبل الزجاج. أما التشتت فيعني أن الفوتونات تتشتت في الوقت، مثل عداء في سباق يبدأ في نفس وقت الآخرين ولكنه يصل في لحظات مختلفة لأنه سلك مسارات مختلفة قليلاً. ولإمساك الإشارة، يجب أن تكون الكواشف دقيقة للغاية، حيث تفتح نافذة زمنية ضيقة لمعرفة ما إذا كان فوتونان قد وصلا معاً. وإذا تشتتت الفوتونات كثيراً بسبب التشتت، أو إذا كانت الكواشف بطيئة جداً في الاستجابة، فإن الإشارة تندمج في ضجيج الخلفية، وتضيع المعلومات.

قام الفريق، بقيادة ماركوس كلارك وسيدارث جوشي، بهدف رسم خريطة للتوازن المثالي بين هذه العوامل. لقد بنوا محاكاة حاسوبية متطورة عملت كمختبر افتراضي، حيث اختبرت آلاف التوليفات من أنواع الألياف، وألوان الإشارات، وعروض الإشارات. ونظروا في نوعين شائعين من الألياف: الألياف أحادية النمط القياسية، وهي العمود الفقري لصناعة الاتصالات، ونوع متخصص يسمى الألياف المزاحة غير صفرية التشتت، المصممة للتعامل مع الضوء بشكل مختلف. كما اختبروا لونين متميزين من الضوء: أحدهما في "النطاق O"، والذي ينتقل بالقرب من 1310 نانومتر، والآخر في "النطاق C"، بالقرب من 1550 نانومتر. ويشتهر النطاق O بأنه يكاد يخلو من التشتت، مما يعني أن الفوتونات تظل متراصة بإحكام في الوقت، بينما يشتهر النطاق C بانخفاض شديد في الفقد، مما يعني أن الفوتونات يمكنها السفر لمسافات أبعد قبل أن تتلاشى.

وجد الباحثون أن الخيار الأفضل يعتمد بشدة على دقة توقيت المعدات، المعروفة باسم "الارتعاش" (jitter). إذا كانت الكواشف بطيئة أو غير دقيقة، مع عدم يقين في التوقيت يتجاوز 100 بيكوثانية، فإن الأولوية تتحول تماماً إلى الحفاظ على قوة الإشارة. في هذا السيناريو، يكون الضوء في النطاق C الذي ينتقل عبر الألياف القياسية هو الفائز الواضح، لأنه يفقد أقل قدر من الإشارة عبر المسافة. التشتت الطفيف للضو في الوقت لا يهم بقدر حقيقة وصول المزيد من الفوتونات إلى الوجهة. ومع ذلك، عندما تكون الكواشف سريعة ودقيقة للغاية، مع ارتعاش أقل من 20 بيكوثانية، تتغير القواعد. بالنسبة للمسافات القصيرة، أقل من 20 كيلومتراً، يصبح النطاق O متفوقاً. ولأن الضوء لا يتشتت في الوقت، تمكن الباحثون من استخدام عرض نطاق ترددي واسع جداً، وحشر المزيد من المعلومات في الإشارة دون أن تصبح مشوشة. يسمح عرض النطاق الواسع هذا بمعدل نقل بيانات أعلى بكثير، بشرط أن تكون المسافة قصيرة بما يكفي لكي لا تتلاشى الإشارة.

كما كشفت الدراسة عن مقايضة حاسمة عند النظر في الشبكات التي تحمل العديد من الإشارات في آن واحد، وهي تقنية تسمى تعدد الإرسال بطول الموجة. في رابط أحادي القناة، قد يكون عرض النطاق الترددي الواسع جداً مثالياً لاتصال قصير وسريع. ولكن إذا كنت تريد احتواء العديد من القنوات المختلفة في نفس الليف الضوئي، فإن استخدام عرض نطاق واسع لكل منها لن يترك مجالاً للآخرين. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بالنسبة لشبكة مصممة لحمل العديد من المستخدمين في وقت واحد، فإن الاستراتيجية المثلى تعود نحو عروض النطاق الأضيق. في هذا السيناريو المزدحم، ثبت أن الألياف القياسية مع ضوء النطاق C عند 1550 نانومتر هي الخيار الأكثر متانة لجميع المسافات تقريباً، باستثناء الروابط الطويلة جداً التي تتجاوز 400 كيلومتر، حيث تتفوق الألياف المتخصصة. واستقر عرض النطاق الترددي المثالي لهذه الشبكات متعددة الإرسال حول 5 إلى 10 جيجاهرتز، وهو حل وسط يسمح بحشر المزيد من الإشارات مع الحفاظ على دقة التوقيت لتجنب الأخطاء.

كانت واحدة من أهم النتائج هي أن "الإعداد الأفضل" ليس رقماً ثابتاً بل هدف متحرك يتغير مع المسافة. بالنسبة لرابط قصير بطول 10 كيلومترات، قد يكون عرض النطاق الترددي الواسع جداً البالغ 100 جيجاهرتز مثالياً إذا كانت الكواشف سريعة. ولكن بالنسبة لرابط طويل بطول 100 كيلومتر، فإن عرض النطاق الواسع نفسه سيؤدي إلى تشتت الإشارة لدرجة تجعلها عديمة الفائدة، وينخفض الخيار الأمثل إلى 5 جيجاهرتز فقط. أنشأ الباحثون خرائط تفصيلية، أو "فسيفساء"، توضح بالضبط أي مزيج من نوع الألياف، ولون الضوء، وعرض النطاق يعمل بشكل أفضل لأي مسافة ودقة توقيت معينة. تعمل هذه الخرائط كدليل للمهندسين الذين يبنون الجيل القادم من الشبكات الكمومية، مما يسمح لهم بتكييف أنظمتهم مع الكابلات والمعدات المتاحة لديهم.

تناولت الدراسة أيضاً جدلاً شائعاً في هذا المجال حول ما إذا كان ينبغي للإشارات الكمومية أن تشارك نفس الألياف مع حركة الإنترنت القياسية. وبينما جادل بعض الباحثين بضرورة وضع الإشارات الكمومية في النطاق O لتجنب التداخل من إشارات النطاق C الساطعة المستخدمة للبيانات العادية، تشير هذه الورقة إلى أن هذا التعايش قد لا يكون هو المستقبل. فمع تقدم تكنولوجيا الاتصالات التقليدية لاستخدام كامل طيف الضوء، ستختفي الفجوة الكبيرة بين الإشارات الكمومية والتقليدية. وفي هذا المستقبل، حيث يحمل ليف ضوئي واحد جميع أنواع البيانات، تشير الدراسة إلى أن استخدام ليف مخصص للإشارات الكمومية هو المسار الأكثر عملية. يتيح ذلك للمهندسين تحسين الألياف خصيصاً للاحتياجات الكمومية دون القلق بشأن الضوضاء من القنوات المجاورة، مما يضمن أعلى مستويات الأمان والسرعة.

في نهاية المطاف، يوفر هذا البحث خارطة طريق واضحة للتصميم الفيزيائي للشبكات الكمومية. إنه يتجاوز فكرة وجود حل عالمي واحد، وبدلاً من ذلك يقدم فهماً دقيقاً لكيفية تفاعل الفقد والتشتت والتوقيت. ومن خلال محاكاة هذه التفاعلات، أظهر الفريق أن تحسين كل من لون الضوء وعرض الإشارة يمكن أن يحسن بشكل كبير كمية المعلومات الآمنة التي يمكن مشاركتها. وبالنسبة للمهندسين المكلفين ببناء هذه الشبكات، فإن الرسالة واضحة: لا يوجد إعداد سحري واحد. بدلاً من ذلك، يكمن النجاح في مطابقة خصائص الإشارة بعناً مع طول الكابل وسرعة الكواشف، لضمان وصول المعلومات الكمومية الدقيقة سليمة، جاهزة لفتح آفاق عصر جديد في الاتصالات.