⚛️ quantum physics

Entanglement distribution and quantum storage of more than 8000 modes over a metropolitan network

تُظهر هذه الورقة البحثية عقدة مكرر كمي تستخدم ذاكرة أيونات العناصر الأرضية متعددة الأنماط لتوزيع التشابك بنجاح عبر شبكة ألياف ضوئية في منطقة حضرية مع تخزين أكثر من 8,000 نمط زمني، مما يمثل خطوة هامة نحو اتصالات كمية عملية وعالية السعة.

المؤلفون الأصليون: Angelo Gelmini Rodriguez, Louis Nicolas, Théo Sanchez Mejia, Pavel Sekatski, Nicolas Brunner, Towsif Taher, Rob Thew, Philippe Goldner, Mikael Afzelius

نُشر 2026-08-14

📖 3 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Angelo Gelmini Rodriguez, Louis Nicolas, Théo Sanchez Mejia, Pavel Sekatski, Nicolas Brunner, Towsif Taher, Rob Thew, Philippe Goldner, Mikael Afzelius

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل الإنترنت كأنه طريق سريع ضخم ومزدحم حيث تنطلق المعلومات بسرعة الضوء. والآن، تخيل محاولة بناء طريق فائق السرعة لنوع جديد تماماً من حركة المرور: المعلومات "الكمومية". لا يتعلق الأمر بمجرد إرسال رسائل البريد الإلكتروني بشكل أسرع؛ بل يتعلق بإنشاء شبكة غير قابلة للاختراق بشكل جوهري وقادرة على حل مشكلات قد تستغرق من الحواسيب الفائقة اليوم ملايين السنين. ولتحقيق ذلك، يحاول العلماء بناء "مكررات كمومية". فكر في هذه المكررات كأنها استراحات على طريق طويل خلال رحلة بالسيارة. نظرًا لأن الإشارات الكمومية هشة للغاية، فلا يمكنها السفر لمسافات بعيدة دون أن تتلاشى أو تضيع. يقوم المكرر بالتقاط الإشارة، وتخزينها بأمان، ثم يرسلها في طريقها إلى المحطة التالية. ولكن الجزء الصعب هنا هو أن الإشارة تسافر بسرعة كبيرة لدرجة أنه بحلول الوقت الذي يكتشف فيه المكرر كيفية تخزينها، تكون الإشارة قد مرت بالفعل. ولإصلاح ذلك، يحتاج المكرر إلى القدرة على التقاط العديد من الإشارات في وقت واحد، مثل شبكة يمكنها غرف مدرسة كاملة من الأسماك بدلاً من سمكة واحدة فقط. يُسمى هذا "التعدد الإرسالي" (multiplexing)، وهو المكون السري اللازم لإنشاء إنترنت كمومي حقيقي وعامل.

في هذه الدراسة المثيرة الجديدة، قام فريق من الباحثين من سويسرا وفنلندا ببناء نموذج أولي لأحد هذه الاستراحات عالية التقنية واختباره في العالم الحقيقي. لقد أنشأوا "ذاكرة كمومية" خاصة مصنوعة من بلورة مطعمة بأيونات أرضية نادرة (تحديداً الإيتربيوم-171). يمكنك التفكير في هذه البلورة كأنها إسفنجة سحرية يمكنها امتصاص جزيئات الضوء (الفوتونات) والاحتفاظ بها لجزء ضئيل من الثانية قبل قذفها مرة أخرى. لم يقم الفريق بتخزين فوتون واحد فحسب؛ بل تمكنوا من تخزين الآلاف منها في نفس الوقت، مما حول فعلياً طريقاً من مسار واحد إلى طريق سريع ضخم متعدد المسارات.

قام الباحثون بإعداد تجربتهم بطريقتين. أولاً، في مختبرهم، أرسلوا فوتوناً عبر كابل ألياف ضوئية طويل (25.3 كيلومتراً) وخزنوا الفوتون الشريك له في ذاكرة البلورة. لقد أثبتوا أن الفوتونين ظلا "متشابكين" — وهو ارتباط كمومي غريب حيث يتشاركان المصير بغض النظر عن المسافة — حتى بعد التخزين. لكن السحر الحقيقي حدث عندما نقلوا هذا الإعداد من المختبر إلى مدينة جنيف. فقد قاموا بتوصيل ذاكرتهم الكمومية بجهاز كشف في مبنى جامعي آخر باستخدام امتداد بطول 5.66 كيلومتراً من شبكة الألياف الضوئية الفعلية في المدينة.

كانت النتائج مبهرة. في المختبر، نجحوا في تخزين واستعادة التشابك عبر 16,340 "فتحة زمنية" (أو نمطاً) مختلفة في آن واحد. وعندما انتقلوا إلى شبكة المدينة، تمكنوا من تخزين 8,235 نمطاً مذهلاً لمدة 63 ميكروثانية. ولو وضعت ذلك في الاعتبار، فإن التجارب السابقة كانت تنجح في تخزين بضع عشرات أو ربما مئات الأنماط فقط. وباستخدام أداة رياضية تسمى "تفكيك شميدت" (Schmidt decomposition)، أظهر الفريق أن ذاكرتهم فعالة للغاية في التعامل مع هذا الكم الهائل من البيانات في وقت واحد. كما أكدوا أن التشابك نجا من رحلته عبر كابلات المدينة، مما يثبت أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تعمل خارج البيئة المخبرية المحكومة.

على الرغم من أن هذا ليس إنترنت كمومياً يعمل بكامل طاقته بعد، إلا أنه يمثل قفزة هائلة للأمام. تشير الورقة البحثية إلى أنه من خلال استخدام هذا النوع المحدد من البلورات وتقنية الذاكرة، يمكننا التغلب على أكبر عقبة في الشبكات الكمومية: وهو الحد الأقصى للسرعة الناتج عن الوقت الذي يستغرقه الضوء للسفر. ويشير الباحثون إلى أنه بينما يعد نظامهم الحالي تحسناً كبيراً، إلا أنه لا تزال هناك مساحة للنمو. فهم يشيرون إلى أن "وقت الاحتفاظ" بالذاكرة يمكن نظرياً تمديده من ميكروثواني إلى ميلي ثانية، كما يمكن تعزيز الكفاءة بشكل أكبر. ولكن في الوقت الحالي، فقد أثبتوا أنه من الممكن بناء عقدة مكرر كمومي يمكنها التقاط، وحفظ، وإطلاق آلاف الإشارات الكمومية في وقت واحد، مما يمهد الطريق لمستقبل يكون فيه التواصل الكمومي ليس مجرد حلم، بل واقعاً يجري تحت أقدامنا مباشرة في كابلات الألياف الضوئية في المدينة.

ملخص تقني: توزيع التشابك وتخزين الكم لأكثر من 8000 نمط عبر شبكة حضرية

بيان المشكلة
يعوق تحقيق مكررات الإشارة الكمومية (quantum repeaters) العملية القائمة على الألياف الضوئية القيود المفروضة على معدل الانتشار الناجمة عن زمن انتقال الفوتونات في الألياف الضوئية (حوالي 5 ميكروثانية/كم). فعندما يمكن للذاكرة الكمومية تخزين إثارة واحدة فقط (نمط واحد)، فإن معدل توليد التشابك يكون محدوداً للغاية. وللتغلب على ذلك، يعد تعدد الإرسال (multiplexing) ضرورياً للسماح بالعديد من محاولات توليد التشابك ضمن زمن رحلة الذهاب والإياب الواحد. وبينما توفر الذاكرات الكمومية القائمة على المجموعات (ensemble-based) إمكانية التخزين متعدد الأنماط عبر المجالات الزمنية أو الترددية أو المكانية، فإن إثبات القدرة على التخزين عالي السعة للتشابك الكمومي في بيئة حضرية يظل تحدياً كبيستاً.

المنهجية
يقدم المؤلفون عقدة مكرر إشارة كمومي تدمج ذاكرة كمومية متعددة الأنماط عريضة النطاق مع مصدر لزوج من الفوتونات المتشابكة.

الذاكرة الكمومية: المكون الأساسي هو بلورة $^{171}\text{Yb}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ مطعمة بـ 2 جزء في المليون من الأيونات، مبردة إلى حوالي 3 كلفن. تستخدم الذاكرة تقنية مشط الذرة (Atomic Frequency Comb - AFC)، والتي تنشئ تعديلاً يشبه المشط لملف الامتصاص بدورية قدرها $\Delta$ . وهذا يسمح بتخزين الفوتون لمدة $1/\Delta$ . يستغل النظام الحالات فائقة الدقة (hyperfine states) الهجينة للإلكترون والنواة في $^{171}\text{Yb}^{3+}$ ، والتي توفر أزمنة تماسك بصري طويلة وانقسامات فائقة الدقة كبيرة، مما يتيح عرض نطاق ترددي قدره 250 ميجاهرتز.
مصدر الفوتونات: مصدر فوتونات زوجية متشابكة يعتمد على التحويل الهابط التلقائي البارامتري (SPDC) في دليل موجي من نيوبات الليثيوم ذات الاستقطاب الدوري (PPLN). يقوم ضخ بقدر 600 نانومتر بتوليد أزواج من الفوتونات عند 979 نانومتر (الإشارة) و1553 نانومتر (الخامل - نطاق الاتصالات C-band).
مطابقة عرض النطاق الترددي: يتم ترشيح الفوتون الخامل (1553 نانومتر) بواسطة تجويف فابري-بيرو بقدر 90 ميجاهرتز ومرشح DWDM بقدر 75 جيجاهرتز. أما فوتون الإشارة (979 نانومتر) فيتم ترشيحه بواسطة محزوز براغ الحجمي (VBG) بقدر 20 جيجاهرتز وذاكرة الـ AFC نفسها بقدر 250 ميجاهرتز.
التسلسل التجريبي: تتضمن البروتوكول مرحلة تحضير (استقطاب السبين وحرق الـ AFC) تليها مرحلة قياس. يتم مطابقة مدة ضخ الـ SPDC مع زمن التخزين ( $T_{pump} = 1/\Delta$ ) لتعظيم الأنماط الزمنية. ينتقل فوتون الاتصالات عبر لفائف الألياف أو شبكة حضرية، بينما يتم تخزين فوتون الـ 979 نانومتر لاحقاً واستعادته عبر صدى الـ AFC.
تحليل تعدد الأنماط: يتم تحديد سعة النمط الزمني الفعالة باستخدام تفكيك شميدت (Schmidt decomposition) للسعة الزمنية المشتركة (JTA) للحالة ثنائية الفوتون. يستخدم المؤلفون دالة الارتباط المتبادل المقاسة $g^{(2)}_{si}(\tau_{si})$ لحساب الحد الأدنى لعدد أنماط شميدت $N$ .
التحقق من التشابك: يتم التحقق من تشابك الطاقة-الزمن باستخدام إعداد مقياس تداخل فرانسون (Franson-type interferometer). يمر فوتون الاتصالات عبر مقياس تداخل ميكلسون من الألياف المستقر طورياً، بينما يتم تحليل فوتون الـ 97 \text{nm} باستخدام مخطط AFC مزدوج. ويتم إجراء اختبار بيل (CHSH) لإثبات وجود التشابك.

المساهمات الرئيسية

تخزين عالي السعة: إثبات تخزين الكم عبر عدد قياسي من الأنماط الزمنية. حقق النظام تخزين 16,340 نمطاً زمنياً لزمن تخزين قدره 125 ميكروثانية في بيئة مختبرية.
مقياس كمي: تقديم والتحقق من مقياس كمي لسعة النمط الزمني الفعالة باستخدام تفكيك شميدت، وتحديداً حساب الحد الأدنى ( $N$ ) بناءً على بيانات الارتباط المتبادل التجريبية.
النشر الميداني: النجاح في توزيع التشابك عبر رابط ألياف قياسي أحادي النمط بطول 5.66 كم ضمن شبكة جنيف الحضرية. في هذا الاختبار الميداني، خزن النظام 8,235 نمطاً لمدة 63 ميكروثانية.
توصيف الأداء: توصيف تفصيلي لكفاءة الذاكرة، التي تضمحل أسياً مع زمن ذاكرة مميز قدره $76.6 \pm 11.0$ ميكروثانية، وهو ما يقابل عمر تماسك AFC فعال قدره $307 \pm 44$ ميكروثانية.

النتائج

لفائف الألياف المختبرية: تم توزيع وتخزين التشابك بنجاح عبر أطوال ألياف تتراوح من 0.5 كم إلى 25.3 كم. انتهك معامل CHSH $S$ عدم المساواة الكلاسيكية ( $S \le 2$ ) لجميع المسافات، بقيم تتراوح بين 2.65 و2.73. وتدرج عدد الأنماط المخزنة مع زمن التخزين، ليصل إلى 16,340 نمطاً عند 125 ميكروثانية.
الشبكة الحضرية: في الاختبار الميداني الذي يربط بين مبنيين جامعيين (المسافة الخطية 2.15 كم، طول الألياف 5.66 كم)، حقق النظام $S = 2.65 \pm 0.04$ لتخزين 32 ميكروثانية (4,183 نمطاً) و $S = 2.67 \pm 0.04$ لتخزين 63 ميكروثانية (8,235 نمطاً).
الكفاءة والمعدلات: تم قياس كفاءة الذاكرة عند أزمنة التخزين القصيرة بنسبة $(19 \pm 1)\%$ . وبينما انخفض معدل الكشف المتزامن مع أزمنة التخزين الأطول بسبب الاضمحلال الأسي، حافظ النظام على قيم ارتباط متبادل عالية ( $\bar{g}^{(2)}_{si}$ ) ووضوح عالٍ، مما يشير إلى الحفاظ على جودة التشابك.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن هذه التجارب تشكل "نصف رابط مكرر إشارة كمومي أساسي"، حيث تثبت القدرة الحرجة على تخزين واستعادة التشابك في نظام متعدد الأنماط عبر مسافات واقعية. ويؤكد المؤلفون أن السعة العالية لتعدد الأنماط (تصل إلى 16,340 نمطاً) تمثل تحسناً بمقدار مرتبة أو مرتبتين من حيث القوة مقارنة بالأعمال السابقة، وهو أمر ضروري لتحقيق معدلات توليد تشابك عملية في مكررات الإشارة الكمومية.

يشير المؤلفون بتواضع إلى أنه بينما يوفر عدد نمط شميدت عامل تسريع نظري لنموذج مبسط، فإن التسريع الفعلي في مخطط مكرر إشارة كامل يعتمد على بارامترات إضافية مثل قدرة الضخ ونوافذ الكشف. وقد حددوا العمل المستقبلي كضرورة لتمديد مدد التخزين إلى نطاق الميلي ثانية (عبر موجة السبين - spin-wave AFC) وتحسين الكفاءة، وهو ما سيكون مطلوباً لمكرر إشارة كمومي قابل للتوسع بالكامل يعتمد على هذه المنصة. يسلط العمل الضوء على المزايا الفريدة لـ $^{171}\text{Yb}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ في الجمع بين عرض النطاق العريض وأزمنة التماسك البصري الطويلة.

أبحاث مشابهة