Optimization of C-band quantum traffic coexisting with O-band classical traffic: preliminary results

ملخص تقني: تحسين حركة المرور الكمومية في النطاق C بالتزامن مع حركة المرور الكلاسيكية في النطاق O

بيان المشكلة
يتطلب نشر الشبكات الكمومية واسعة النطاق الاستفادة من البنية التحتية القائمة للألياف الضوئية للاتصالات بدلاً من الألياف المخصصة "المظلمة" (dark fibers)، والتي تُعد غير عملية وباهظة الثمن بشكل لا يمكن تجاوزه. ويتمثل أحد التحديات الحاسمة في هذا السياق في تعايش الإشارات الكمومية منخفضة القدرة مع حركة المرور الكلاسيكية عالية القدرة داخل نفس الليف أحادي النواة وأحادي النمط. والخلل الأساسي في سيناريوهات التعايش هذه هو تشتت رامان التلقائي (Spontaneous Raman Scattering - SpRS). في هذه العملية، تتشتت الفوتونات من الإشارة الكلاسيكية عبر طيف واسع، مما يولد ضوضاء يمكن أن تقع ضمن النطاق الطيفي لإشارة الكمومية المتزامنة. وبينما توجد نماذج نظرية لتشتت رامان، إلا أنها غالباً ما تفشل في التقاط البنية الطيفية الدقيقة الملحوظة في الألياف القياسية تحت ظروف واقعية. علاوة على ذلك، اعتمدت الدراسات التجريبية السابقة بشكل متكرر على ليزرات ذات عرض خط ضيق في المختبر أو بنيات تعدد الإرسال المكاني/الزماني، وهي أمور لا تعكس القيود المفروضة على البنى التحتية للألياف الحضرية المنشورة باستخدام مكونات تجارية جاهزة للاستخدام.

المنهجية
يتقصى هذا العمل تجريبياً ضوضاء تشتت رامان التلقائي (SpRS) في النطاق C الناتجة عن حركة المرور الكلاسيكية في النطاق O داخل بيئة ليف بصري قياسي أحادي النمط. أُجريت الدراسة باستخدام منصة الاختبار "National Quantum Internet.it" في جامعة نابولي فيدريكو الثاني.

• الإعداد التجريبي: استخدم الباحثون وحدات إرسال واستقبال بصرية تجارية من نوع SFP (تحديداً وحدات Finisar وHuawei) تعمل عند طول موجي 1310 نانومتر (النطاق O) كمصدر كلاسيكي. وخلافاً للدراسات السابقة، لم يتم استخدام أي تعدد إرسال مكاني أو زماني؛ بل تزامنت الإشارات في الانتشار.
• الترشيح والعزل: لضمان نقاء الإشارة، استخدم الإعداد مرشحات WDM متسلسلة لعزل مصدر النطاق O وكبح المكونات خارج النطاق. وعند المستقبل، قام تسلسل WDM ثانٍ بعزل النطاق C، متبوعاً بمرشح قابل للضبط ضيق النطاق (بعرض 25 جيجاهرتز) لمسح قنوات ITU من 15 إلى 63.
• الكشف: تم اكتشاف فوتونات SpRS باستخدام كاشف الفوتون الواحد ذو السلك النانوي الفائق (SNSPD) يعمل عند 2.2 كلفن، محققاً كفاءة كشف تبلغ ~80% ومعدل عد مظلم يبلغ ~100 نبضة في الثانية.
• المتغيرات: أُجريت التجارب على لفات ألياف بأطوال متفاوتة (100 م، 500 م، و5 كم) لمحاكاة سيناريوهات حضرية مختلفة. كما قارنت الدراسة النتائج بين وحدات SFP التجارية وليزر ذو خط ضيق لتقييم اعتماد المصدر.

المساهمات الرئيسية والنمذجة
المساهمة الرئيسية لهذا العمل هي اشتقاق نموذج تنبؤي مدمج لضوضاء SpRS يكون مستقلاً عن المصدر البصري المستخدم.

• النموذج: يقترح المؤلفون نموذجاً لمعدل عد SpRS ($C_{SpRS}$) كدالة في قدرة المصدر، وطول الليف، والطول الموجي:
  $$C_{SpRS}(S_{src}, \lambda, L) = S_{src} A(\lambda) \frac{e^{-\alpha_c L} - e^{-\alpha_o L}}{\alpha_o - \alpha_c}$$
  هنا، $S_{src}$ هو عامل قياس يعتمد على المصدر، ويأخذ حد التوهين في الاعتبار طول التفاعل الفعال بناءً على فقدان الليف في النطاق O ($\alpha_o$) والنطاق C ($\alpha_c$).
• الملف الطيفي ($A(\lambda)$): على عكس النماذج النظرية العامة، يتم نمذجة معامل تشتت رامان $A(\lambda)$ كمتعدد حدود من الدرجة الرابعة مشتق مباشرة من البيانات التجريبية. هذا النهج يلتقط التباينات الطيفية المحددة والبنى الدقيقة الملحوظة في منصة الاختبار.
• التحقق: تم التحقق من صحة النموذج مقابل بيانات تجريبية من ثلاثة مصادر متميزة (اثنان من وحدات SFP التجارية وواحد من الليزر) عبر أطوال ألياف متعددة. وُجد أن الخطأ النسبي بين النموذج والبيانات التجريبية منخفض (على سبيل المثال، 2.7% إلى 5.1% لأطوال 500 م و5 كم)، مما يؤكد قوة النموذج وطبيعته المستقلة عن المصدر.

النتائج

• تحديد القناة المثلى: حددت البيانات التجريبية والنموذج المشتق باستمرار حداً أدنى طيفياً لضوضاء SpRS حول 1535 نانومتر (القناة 44 من ITU). يشير هذا إلى أن القناة 44 هي القناة الأكثر ملاءمة لنقل الإشارة الكمومية في النطاق C عند الانتشار المتزامن مع حركة المرور الكلاسيكية في النطاق O عند 1310 نانومتر.
• تأثير الترشيح: أظهرت الدراسة أن تسلسل مكونات WDM ضروري لعزل الإشارة المعنية. وبينما تؤدي زيادة عدد وحدات WDM إلى إدخال فقد في الإدخال، إلا أنها تقلل بشكل كبير من تقلبات العد وتكبح بفعالية الضوضاء المتبقية خارج النطاق.
• الاستقلالية عن المصدر: نجح النموذج في التنبؤ بسلوك SpRS لمصنعين مختلفين من الأجهزة (Finisar مقابل Huawei) وأنواع مصادر مختلفة (SFP تجاري مقابل ليزر ضيق الخط)، مما أثبت أن السلوك الفيزيائي الأساسي يتم التقاطه بغض النظر عن البنية الداخلية للمصدر المحدد.
• الاعتماد على الطول: يصف النموذج بدقة تغير الضوضاء مع طول الليف. وبينما كانت الانحرافات أكثر وضوحاً قليلاً عند الأطوال القصيرة جداً (100 م) حيث تكون عدات رامان أقل أهمية مقارنة بالضوضاء الخلفية، إلا أن الاتجاه العام وتحديد الحد الأدنى الطيفي ظل موثوقاً.

الأهمية
يفترض هذا البحث أن هذه النتائج تمهد الطريق لوصف قوي للمعاملات لوصف تشتت رامان القابل للتطبيق على أنظمة الألياف المتنوعة. ومن خلال توفير نموذج تنبؤي لا يتطلب قياسات طيفية مباشرة لكل تكوين جديد، يقدم هذا العمل أداة عملية لتصميم وتحسين التعايش بين الكمي والكلاسيكي. وتحديداً، فإنه يتيح تحديد قنوات النطاق C المثلى لتخصيص الإشارات الكمومية بحيث تكون الأقل تأثراً بضوضاء SpRS الناتجة عن حركة المرور الكلاسيكية في النطاق O. وتعد هذه خطوة أساسية نحو تمكين النشر واسع النطاق للشبكات الكمومية عبر البنى التحتية الحضرية القائمة للألياف دون الحاجة إلى ألياف مظلمة مخصصة.