Waveguide-array-based multiplexed photonic interface for atom array

قد يعتمد مستقبل الإنترنت على نوع جديد من الاتصال، لا يعتمد على إرسال بتات المعلومات عبر الأسلاك النحاسية أو الألياف الزجاجية، بل على إرسال جوهر المادة ذاته. هذا هو مجال الشبكات الكمومية، وهو مجال مخصص لربط الحواسيب الكمومية بحيث يمكنها حل مشكلات هائلة جداً بحيث لا تستطيع أي آلة واحدة معالجتها بمفردها. لبناء مثل هذه الشبكة، يحتاج العلماء إلى وسيلة لربط البتات الكمومية الثابتة، التي تعمل كذاكرة ومعالجات، مع الجسيمات الطائرة من الضوء التي تحمل المعلومات بينها. ويكمن التحدي في النطاق الهائل المطلوب؛ إذ تحتاج الشبكة الكمومية المفيدة إلى التعامل مع العديد من الاتصالات في وقت واحد، وليس اتصالاً واحداً فقط. تخيل محاولة بناء نظام طرق سريع حيث يجب توجيه كل سيارة بدقة إلى مسارها الخاص دون أن تلمس السيارة المجاورة لها أبداً. إذا كانت المسارات قريبة جداً من بعضها البعض، فستصطدم السيارات ببعضها البعض، مما يؤدي إلى تشويه المعلومات الدقيقة التي تحملها. لسنوات عديدة، كافح الباحثون لتوجيه الضوء من مصادر كمومية متعددة ومنفصلة إلى قنوات متميزة دون هذا التداخل، وهو عائق حال دون وصول الشبكات الكمومية واسعة النطاق إلى الواقع.

في طفرة علمية حديثة، أظهر فريق من الباحثين حلاً عملياً لهذه المشكلة من خلال إنشاء واجهة متخصصة توجه الضوء من مصفوفة من الذرات إلى شبكة كثيفة من القنوات البصرية. عمل العلماء مع صف من ذرات الروبيديوم الفردية، التي تم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق وتثبيتها في مكانها بواسطة حزم ضوئية غير مرئية. تعمل هذه الذرات كمعالجات كمومية، قادرة على توليد جسيمات ضوئية مفردة، أو فوتونات، تكون متشابكة مع حالة الذرة نفسها. كان الهدف هو التقاط هذه الفوتونات وتوجيهها إلى جهاز قائم على رقاقة يحتوي على اثنين وثلاثين قناة منفصلة، لضمان أن الفوتون الناتج عن ذرة معينة يذهب فقط إلى قناته المخصصة ولا يتسرب إلى جاراتها. نجح الباحثون في توجيه الفوتونات من عشر ذرات مختلفة إلى عشر قنوات منفصلة داخل هذه الشبكة، مما أثبت أنه من الممكن إدارة اتصالات كمومية متعددة في وقت واحد دون أن تتداخل الإشارات مع بعضها البعض.

أجريت التجربة داخل غرفة مفرغة من الهواء حيث كانت ذرات الروبيديوم محتجزة في خط أحادي البعد، تفصل بينها مسافة 7.5 ميكرومتر فقط. ولالتقاط الضوء الخافت المنبعث من هذه الذرات، استخدم الفريق نظام عدسات عالي القدرة قام بتكبير صورة مصفوفة الذرات وعرضها على رقاقة زجاجية. تميزت هذه الرقاقة، المعروفة باسم الدائرة المتكاملة الفوتونية، بمصفوفة كثيفة من الموجِّهات الموجِّهة (waveguides)—وهي قنوات ضيقة محفورة في الزجاج تعمل كأنفاق للضوء. كانت المسافة بين هذه القنوات 25 ميكرومتراً، وهي مسافة اختيرت بعناية لتتطابق مع الصورة المكبرة للذرات. ومن خلال استخدام نظام يتم التحكم فيه حاسوبياً لضبط موضع الذرات بدقة متناهية، ضمن الباحثون أن كل ذرة تقع تماماً أمام الموجِّه الموجِّه الخاص بها. كان هذا المحاذاة أمراً بالغ الأهمية؛ إذ إن أي إزاحة طفيفة كانت ستؤدي إلى فقدان الضوء لهدفه أو انسكابه في قناة خاطئة.

بمجرد تحسين المحاذاة، اختبر الفريق النظام عن طريق إثارة الذرات وقياس الضوء الناجم عنها من الجانب الآخر من الرقاقة. ووجدوا أن الفوتونات الناتجة عن كل ذرة من الذرات العشر قد تم توجيهها بنجاح إلى قنواتها الخاصة، مع تقدير صافي كفاءة الاقتران بين 0.3% و1.2%. وبينما يصف المؤلفون كفاءة الجمع الحالية هذه بأنها منخفضة نسبياً، إلا أن النظام نجح في إثبات القدرة على توجيه إشارات متعددة. والأهم من ذلك، أنهم قاسوا "التداخل" (crosstalk)، وهو مقدار الضوء الذي تسرب بالخطأ من قناة إلى أخرى. وأظهرت النتائج أن هذا التسرب كان ضئيلاً، مما يعني أن النظام يمكنه إبقاء الإشارات العشر المختلفة منفصلة تماماً. هذا المستوى من العزل ضروري لشبكة كمومية وظيفية، لأنه يضمن عدم فساد المعلومات المرسلة من عقدة ما بسبب إشارات من عقدة مجاورة. كما تحقق الباحثون من أن الضوء احتفظ بخصائصه الكمومية، وتحديداً الارتباط بين الحالة الداخلية للذرة واستقطاب، أو اتجاه، الموجة الضوئية. ومن خلال قياس استقطاب الفوتونات، أكدوا أن الاتصال بين الذرة والضوء ظل سليماً أثناء انتقاله عبر الموجِّه، وهو شرط ضروري لإنشاء الروابط المتشابكة التي تشغل الإنترنت الكمومي.

تتجاوز أهمية هذا العمل النجاح المباشر في توجيه عشرة فوتونات. تعتمد التكنولوجيا المستخدمة هنا على رقاقة زجاجية يمكن تصنيعها بدقة عالية، مما يوفر مساراً قابلاً للتوسع لبناء شبكات أكبر. وبينما استخدمت التجربة الحالية عشر قنوات من أصل اثنتين وثلاثين قناة متاحة على الرقاقة، أشار الباحثون إلى أن المسافة الحالية البالغة 7.5 ميكرومتر بين الذرات أكبر من نطاق بوابات ريدبرج (Rydberg gates) التي تم إثباتها، والتي تعمل عادةً عند مسافات تبلغ 5 ميكرومتر أو أقل. ومع ذلك، يقترحون أن استخدام حالات ريدبرج المثارة للغاية يمكن أن يسمح ببوابات عالية الدقة عند مسافات أكبر، مما قد يسمح بربط النظام مباشرة بمعالج كمومي يعتمد على مصفوفة ذرات ريدبرج. يوفر هذا النهج ميزة واض die عن الطرق السابقة التي اعتمدت على العدسات الضخمة والألياف البصرية، حيث توفر الرقاقة المتكاملة منصة مدمجة ومستقرة يمكن إنتاجها بكميات كبيرة. بالنسبة للاتصالات الكمومية بعيدة المدى، حيث يجب إرسال الإشارات عبر مسافات شاسعة، فإن القدرة على إرسال العديد من الإشارات بالتوازي أمر بالغ الأهمية. فبدون هذه القدرة على التوازي، ستكون سرعة الشبكة محدودة بالوقت المستغرق لإرسال إشارة واحدة وانتظار التأكيد، وهو تأخير يصبح غير مقبول عبر المسافات الطويلة.

يمثل هذا العرض خطوة رئيسية نحو تحقيق بنية حوسبة كمومية موزعة، حيث يتم ربط معالجات كمومية متعددة معاً لتعمل كآلة واحدة قوية. ومن خلال إثبات أن مصفوفة كثيفة من الذرات يمكن اقترانها بكفاءة بمصفوفة موجِّهات دون تداخل في الإشارات، أزال الفريق عقبة رئيسية أمام تطوير الشبكات الكمومية. نجح النظام في سد الفجوة بين العالم المجهري للذرات المحتجزة والعالم العياني للكابلات الألياف الضوئية، مما يوفر واجهة موثوقة للأجهزة الكمومية المستقبلية. ورغم أن الإعداد الحالي هو نموذج مختبري، إلا أن المبادئ التي تم إثباتها هنا قابلة للتطبيق مباشرة في بناء شبكات كمومية حقيقية. إن القدرة على توليد وتوجيه روابط متشابكة متعددة في آن واحد تفتح الباب أمام عصر جديد من الاتصالات، حيث يمكن توزيع المعلومات الكمومية عبر الشبكة بالسرعة والسعة المطلوبة للجيل القادم من الحوسبة.