Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks
تُظهر هذه الورقة تحقيقاً تجريبياً قابلاً للتوسع لتعدد الإرسال بفاقد صفر (ZALM) للشبكات الكمومية بعيدة المدى، وذلك عبر تحقيق تبادل تشابك عالي الدقة عبر 16 نمطاً ترددياً متوازياً ومعدل تكرار ضخ يبلغ 3.0 جيجاهرتز، مما أدى إلى معدل تبادل إجمالي قدره 5.38 زوج في الثانية ومعدل زوج "بيل" متوقع لتقنية (ZALM) يبلغ 820 زوجاً في الثانية.
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
يعد حلم الإنترنت الكمي بمستقبل تنتقل فيه المعلومات بأمان مطلق، وتتمكن فيه الحواسيب من حل مشكلات مستعصية حالياً. ولجعل هذه الرؤية حقيقة، يجب على العلماء بناء شبكات يمكنها إرسال الحالات الكمومية الدقيقة، المعروفة باسم الأزواج المتشابكة، عبر مسافات طويلة دون أن تفقد اتصالها الخاص. والعقبة الكبرى هي أن هذه الإشارات الكمومية تتلاشى أثناء انتقالها عبر كابلات الألياف الضوئية، تماماً مثل همسة تخبو في قاعة واسعة. وللتغلب على ذلك، يطور الباحثون أجهزة تسمى المكررات الكمومية (quantum repeaters). تعمل هذه المكررات كمحطات تقوية، حيث تلتقط الإشارة المتلاشية، وتجدد نشاطها، ثم تمررها. ومع ذلك، لكي يعمل المكرر بسرعة كافية ليكون مفيداً، فإنه يحتاج إلى معالجة العديد من الإشارات في وقت واحد. وقد كان التحدي الرئيسي هو كيفية التعامل مع هذه الإشارات دون إدخال أخطاء أو فقدان المعلومات ذاتها التي تجعلها قيمة.
لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال استعراض طريقة جديدة لإنشاء وإدارة هذه الإشارات الكمومية. فقد نجحوا في بناء مصدر يمكنه توليد أزواج متشابكة من جسيمات الضوء، وتسمى الفوتونات، عبر ست عشرة قناة لونية مختلفة في آن واحد. وفي تجربتهم، تمكنوا من تبادل التشابك بين هذه المسارات الستة عشر المتوازية من الضوء بمعدل نجاح متوسط بلغ 93.9 بالمائة. وهذا يعني أن الاتصال الكمومي الدقيق قد تم الحفاظ عليه بدقة عالية عبر جميع القنوات. ومن خلال الجمع بين القدرة على التعامل مع العديد من الألوان في وقت واحد مع معدل نبض سريع جداً يبلغ 3.0 مليار مرة في الثانية، حققوا معدل توليد إجمالي قدره 5.38 زوجاً في الثانية. وعند حساب كفاءة نظامهم، فإن هذا يترجم إلى ناتج محتمل قدره 820 زوجاً في الثانية، وهو رقم يمثل مستوى أداء جديداً لهذا النوع من التكنولوجيا.
يكمن جوهر إنجازهم في طريقة تسمى "تعدد الإرسال بدون فقدان مضاف" (zero-added-loss multiplexing). تخيل أنك تحاول إرسال رسالة عبر غرفة مزدحمة حيث لا يمكنك إلا نطق كلمة واحدة في كل مرة؛ ستكون بطيئاً جداً. أما تعدد الإرسال فهو يشبه منح نفسك ستة عشر صوتاً مختلفاً لتتحدث بها في نفس الوقت، مما يسمح لك بإرسال معلومات أكثر في نفس مقدار الوقت. وفي عالم الضوء، هذه "الأصوات" هي ألوان أو ترددات مختلفة. استخدم الباحثون معدات قياسية، وتحديداً مرشحات (filters) تفصل الضوء إلى قنوات تفصل بينها مسافة 50 جيجاهرتز، لإدارة هذه المسارات الستة عشر من الألوان. وقد قاموا بتشكيل نبضات الليزر المستخدمة لإنشاء جسيمات الضوء بعناً لضمان بقاء كل قناة لونية نقية ومتميزة، وتجنب الارتباك الذي يحدث عادة عند محاولة حشد الكثير من الإشارات معاً. سمحت هذه الدقة بإجراء عملية معقدة تسمى "تبادل التشابك" (entanglement swapping)، حيث يتم ربط زوجين منفصلين من الجسيمات معاً لتشكيل اتصال جديد وأطول، وكل ذلك مع الحفاظ على تشغيل القنوات الست عشرة بالتوازي.
لضمان عمل النظام بشكل صحيح، كان على الفريق التغلب على تحدٍ خاص يتعلق بالتوقيت. نظرًا لأنهم كانوا يرسلون النبضات بسرعة كبيرة، كانت الفجوة بينها ضئيلة للغاية. فإذا كانت الكواشف المستخدمة لالتقاط الجسيمات بطيئة أو غير دقيقة، فقد تخلط بين جسيم من نبضة وجسيم من النبضة التالية، مما يؤدي إلى إفساد التجربة. استخدم الباحثون كواشف حساسة للغاية يمكنها تمييز وقت وصول الجسيم بدقة تصل إلى 39 بيكوثانية. وكانت هذه السرعة كافية لفصل النبضات بوضوح، والتي كانت تصل كل 333 بيكوثانية، مما ضمن بقاء المعلومات الكمومية نظيفة وغير فاسدة. وكانت النتيجة نظاماً تكون فيه جسيمات الضوء في كل قناة من القنوات الست عشرة متطابقة تقريباً مع بعضها البعض، وهو مطلب لنجاح تبادل التشابك.
أكدت التجربة أن هذا النهج ليس ممكناً من الناحية النظرية فحسب، بل هو قابل للتطبيق العملي أيضاً. فقد قاس الباحثون جودة الأزواج المتشابكة التي صنعوها ووجدوا أنها حافظت على درجة عالية من الدقة (fidelity)، مما يعني أن الجسيمات ظلت في الحالة الكمومية الدقيقة المطلوبة للشبكات المستقبلية. كما أظهروا أنه باستخدام مكونات قياسية متاحة تجارياً لفصل الألوان، فإن هذه التكنولوجيا قابلة للتوسع ولا تعتمد على آلات غريبة مصممة خصيلاً. وبينما أنتج إعدادهم الحالي بضعة أزواج في الثانية، تشير محاكاتهم الحاسوبية إلى أنه مع إجراء المزيد من التحسينات، مثل استخدام المزيد من القنوات اللونية وتقليل فقدان الإشارة، يمكن أن يزدل المعدل بعدة مراتب عشرية. يمهد هذا العمل مساراً واضحاً نحو بناء شبكات كمومية عالية السرعة وطويلة المدى ستكون ضرورية للجيل القادم من الاتصالات الآمنة والحوسبة الموزعة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.