Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

في العالم الخفي للاتصالات الكمومية، تعتمد الأمان على مبدأ أساسي: عدم القدرة على التنبؤ. تخيل شخصين يحاولان مشاركة رمز سري. لضمان عدم قدرة أي شخص آخر على تخمينه، يجب أن تكون الإشارات التي يرسلانها عشوائية حقًا، وليست مجرد إشارات تبدو عشوائية، بل وليدة الطبيعة الفوضوية للكون نفسه. إحدى أكثر الطرق واعدة لإنشاء هذه الإشارات هي استخدام ليزرات تومض وتتوقف عن العمل بسرعة هائلة. عندما يتم إطفاء الليزر ثم إعادة تشغيله مرة أخرى، يجب أن يكون "طور" (phase) الضوء الذي ينتجه عشوائيًا تمامًا، وهو ما يعني جوهريًا توقيت قمم وقيعان الموجة الضوئية. إذا كان هذا التوقيت عشوائيًا، فإن الإشارة تكون آمنة. ومع ذلك، هناك عقبة؛ فإذا ومض الليزر بسرعة كبيرة جدًا، فإن الضوء الناتج عن الومضة السابقة يظل عالقًا داخل الجهاز، ليعمل مثل شبح يؤثر على الومضة التالية. هذا الضوء العالق يخلق نمطًا، مما يجعل الإشارات قابية للتنبؤ ويكسر الأمان. لسنوات طويلة، أجبر هذا التأثير المتبقي العلماء على إبقاء معدلات وميض الليزر بطيئة نسبيًا، مما حد من سرعة إرسال الرسائل السرية أو توليد الأرقام العشوائية.

لقد وجد فريق من الباحثين في شركة "توشيبا أوروبا المحدودة" وجامعة كامبريدج طريقة لكسر هذا الحد من السرعة. فقد اكتشفوا طريقة لإجبار الليزر على نسيان ماضيه، مما يسمح له بالوميض بمعدل 10 مليارات مرة في الثانية مع الحفاظ على عشوائية مثالية. ولتحقيق ذلك، لم يحاولوا تنظيف الضوء العالق؛ بل أغرقوا الليزر بمصدر ضوء جديد وفوضوي من جهاز خارجي. ومن خلال حقن هذا الضوء الخارجي، الذي يتم توليده بواسطة نوع خاص من الصمامات الثنائية (diodes) التي تبعث الضوء حصريًا من خلال عمليات عفوية وعشوائية، تمكنوا من طغيان ذاكرة الليزر. يعمل هذا الضوء الخارجي كبذرة جديدة لكل ومضة، مما يضمن أن كل نبضة تبدأ بطور جديد تمامًا وغير متوقع. والنتيجة هي ليزر يمكنه العمل بسرعات كانت تُعتبر مستحيلة سابقًا للتطبيقات الكمومية الآمنة، مما أزال فعليًا عنق الزجاجة الذي أعاق الاتصالات الكمومية عالية السرعة.

اختبر الباحثون فكرتهم باستخدام صمام ثنائي ليزري قياسي، وهو جهاز ينبعث منه الضوء عند تطبيق الكهرباء. في الإعداد الطبيعي، يقومون بتشغيل الليزر وإطفائه لإنشاء سلسلة من نبضات الضوء. وعندما قاموا بتشغيل هذا الليزر بسرعة متوسطة تبلغ مليار ومضة في الثانية، عمل النظام كما هو متوقع؛ حيث كانت نبضات الضوء عشوائية، ولم يظهر أي ارتباط بين النبضة والسابقة لها في التوقيت. ومع ذلك، عندما رفعوا السرعة إلى 10 مليارات ومضة في الثانية، فشل النظام. بدأت النبضات تتذكر بعضها البعض؛ إذ كان الضوء من ومضة واحدة لا يزال موجودًا عندما بدأت الومضة التالية، مما جعل الومضة الجديدة تنسخ توقيت الومضة القديمة. خلق هذا رابطًا قويًا بين النبضات، مما دمر العشوائية المطلوبة للأمان. عند هذه السرعة العالية، لم يعد الليزر يولد إشارات مستقلة، بل كان مجرد تكرار لنمط معين، مما جعله عديم الفائدة للاتصالات الآمنة.

ولإصلاح ذلك، قدم الفريق مصدر ضوء ثانيًا: صمام ثنائي فائق الإضاءة (superluminescent diode). هذا الجهاز يشبه الليزر ولكنه مصمم لإصدار ضوء ساطع وموجه ومع ذلك فهو عشوائي تمامًا في توقيته، تمامًا مثل مصباح كهربائي أكثر سطوعًا وتركيزًا. قاموا بتوجيه هذا الضوء العشوائي إلى تجويف الليزر الرئيسي. وكان التأثير فوريًا ودراماتيكيًا؛ فبمجرد دخول الضوء العشوائي إلى الليزر، اختفت الصلة بين النبضات. حتى عند 10 مليارات ومضة في الثانية، كانت كل نبضة جديدة تولد من الضوضاء الفوضوية للضوء المحقون بدلاً من شبح الومضة السابقة. قاس الباحثون شدة الضوء الخارج ووجدوا أنها تتبع نمطًا إحصائيًا محددًا يُعرف بتوزيع "قوس الجيب" (arcsine distribution)، وهو البصمة المميزة للعشوائية الحقيقية. بدون الحقن الخارجي، كان النمط مسطحًا وقابلاً للتنبؤ؛ ومع الحقن، عاد النمط إلى الشكل الفوضوي المطلوب للأمان.

نظر الفريق أيضًا إلى الطيف اللوني للضوء لفهم ما يحدث داخل الليزر. عندما كان الليزر يعمل بسرعة كبيرة دون مساعدة، أظهر الضوء سلسلة من الخطوط الحادة والمتميزة، تشبه أسنان المشط. أشارت هذه الخطوط إلى أن النبضات كانت متزامنة تمامًا وتكرر نمطًا ما. وعندما أضافوا الضوء العشوائي الخارجي، اختفت هذه الخطوط الحادة، وأصبح الطيف منحنى سلسًا ومستمرًا، مما أظهر أن النبضات لم تعد مقيدة ببعضها البعض. لقد نجح الضوء الخارجي في بعثرة توقيت الليزر، مما سرع العملية التي يصبح فيها طور الضوء عشوائيًا. سمح هذا لليزر بإعادة ضبط نفسه تمامًا بين الومضات، حتى عندما كان الوقت بين الومضات قصيرًا للغاية.

كان أحد المخاوف من إضافة ضوء إضافي هو أنه قد يجعل توقيت النبضات مهتزًا للغاية. قاس الباحثون هذا "الارتجاف" (jitter)، أو التباين الطفيف في موعد وصول كل نبضة. ووجدوا أنه مع زيادة كمية الضوء المحقون، زاد هذا الارتجاف، حيث ارتفع من 4.4 بيكوثانية إلى 21.9 بيكوثانية عند أعلى مستوى للحقن. ومع ذلك، فقد قرروا أن هذا المستوى من الاهتزاز مقبول؛ فالنبضات لا تزال تتداخل بما يكفي ليتم قياسها بشكل صحيح، وقد تم الحفاظ على العشوائية. كانت المقايضة تستحق العناء: فالتوقيت الأقل دقة بقليل كان ثمنًا بسيطًا مقابل استعادة العشوائية الجوهرية التي تجعل النظام آمنًا. وحسب الفريق أن هذه الطريقة الجديدة يمكنها نظريًا توليد أرقام عشوائية بمعدل يتجاوز 40 مليار بت في الثانية، وهي قفزة هائلة من القدرات الحالية.

يعالج هذا الاختراق عقبة رئيسية في تطوير التقنيات الكمومية. حاليًا، تُحدد سرعة أنظمة توزيع المفاتيح الكمومية بمدى سرعة إمكانية تشغيل الليزر دون فقدان عشوائيته. ومن خلال حل هذه المشكلة، فتح الباحثون الباب أمام شبكات اتصال أسرع بكثير. وبينما يمكن لليزر نفسه الآن أن يومض 10 مليارات مرة في الثانية، فإن بقية النظام، وخاصة الكواشف التي تلتقط الضوء، ستحتاج إلى اللحاق به للاستفادة الكاملة من هذه السرعة. ومع ذلك، فإن القدرة على توليد إشارات عشوائية آمنة بهذه المعدلات العالية هي خطوة كبيرة للأمام. إن هذا يشير إلى أن الشبكات الكمومية المستقبلية يمكن أن تعمل بسرعات تضاهي سرعة الإنترنت السريع اليوم، مما يقرب الوعد باتصالات غير قابلة للاختراق من الواقع. إن الطريقة بسيطة ومتينة، وتعتمد على الفيزياء الأساسية للضوج للتغلب على قيود السرعة، مما يثبت أن أفضل طريقة للمضي قدمًا هي أحيانًا إدخال قدر من الفوضى المنضبطة.