Coherent microwave-to-optical transduction with Yb:YSO spins strongly coupled to a 3D resonator
تُظهر هذه الورقة تحويلاً متماسكاً للموجات المستمرة من الميكروويف إلى الضوء في بلورة Yb:YSO في مجال صفري مقترنة بقوة برنان ثلاثي الأبعاد، محققة كفاءة داخلية تبلغ ومتوقعة كفاءة محتملة تصل إلى مع تحسين التشعيب، مما يؤسس منصة واعدة لدمج الذاكرة الكمومية والتحويل.
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
في سعيها لبناء إنترنت كمي، تواجه العلماء فجوة جوهرية بين تقنيتين قويتين. فمن ناحية، هناك الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي المعالجات الصغيرة فائقة السرعة التي تقود حالياً السباق نحو قوة الحوسبة الكمية؛ حيث تعمل هذه الآلات عند ترددات الميكروويف ويجب الحفاظ عليها في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق لتعمل. ومن ناحية أخرى، هناك الإشارات الضوئية، وهي حزم من الضوء يمكنها نقل المعلومات عبر مسافات شاسعة من خلال كابلات الألياف الضوئية دون فقدان يُذكر. وتكمن المشكلة في أن هاتين اللغتين من المعلومات لا تتحدثان مع بعضهما البعض. ولربط حاسوب كمي بشبكة عالمية، يحتاج الباحثون إلى مترجم، أو محول (transducer)، يمكنه تحويل إشارات الميكروويف من الحاسوب إلى إشارات ضوئية للسفر، وبالعكس، دون تدمير المعلومات الكمية الدقيقة التي تحملها.
إن عملية الترجمة هذه صعبة لأن الفرق في الطاقة بين فوتون الميكروويف والفوتون الضوئي هائل. علاوة على ذلك، يجب أن يعمل المحول في نفس البيئة المتجمدة التي يعمل فيها الحاسوب، ولا يمكنه الاعتماد على مجالات مغناطيسية قوية، لأن ذلك من شأنه أن يعطل عمل الحاسوب. وبينما أظهرت بعض المواد نتائج واعدة، إلا أنها غالباً ما تتطلب مجالات مغناطيسية غير متوافقة مع الدوائر فائقة التوصيل. وقد وجه فريق من الباحثين في جامعة كالغاري اهتمامهم الآن إلى بلورة محددة مطعمة بأيونات الإيتربيوم. تمتلك هذه المادة طبيعياً الخصائص المناسبة لسد الفجوة دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية خارجية، مما يوفر مساراً محتملاً لدمج الذاكرة الكمية وتحويل الإشارات في جهاز واحد عالي الكفاءة.
شرع الباحثون في إثبات عملية التحويل هذه باستخدام بلورة من "أورثوسيليكات اليتريوم"، وهي مادة صلبة مشبعة بكمية صغيرة من الإيتربيوم. وضعوا قطعة صغيرة من هذه البلورة، يبلغ حجمها بضعة مليمترات فقط، داخل رنان ميكروويف ثلاثي الأبعاد متخصص. هذا الرنان عبارة عن هيكل معدني مجوف مشكل على هيئة حلقات وفجوات، مصمم لحجز وتضخيم إشارات الميكروويف. تم تبريد البلورة إلى درجة حرارة 30 ميلي كلفن، وهي درجة أبرد من أعماق الفضاء، لضمان بقاء الذرات داخلها مستقرة. ثم أطلق الفريق شعاع ليزر مستمر في البلورة بينما كان يرسل في الوقت نفسه إشارات ميكروويف عبر الرنان. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان يمكن امتصاص طاقة الميكروويف بواسطة الذرات وإعادة انبعاثها كلون جديد من الضوء، مما يؤدي فعلياً إلى ترجمة الإشارة من شكل إلى آخر.
نجحت التجربة في إنتاج هذا التحويل، رغم أن العملية كانت ضعيفة للغاية في الوقت الحالي. فقد قاس الفريق كفاءة داخلية بلغت ، مما يعني أنه مقابل كل مائة مليون فوتون ميكروويف يتم إرسالها، يخرج جزء ضئيل جداً كفوتونات ضوئية محولة. ورغم هذا الرقم المنخفض، كانت النتيجة مهمة لأنها أثبتت أن الآلية تعمل في تدفق مستمر من البيانات، وليس فقط في نبضات قصيرة. عمل النظام بنطاق ترددي قدره 200 كيلو هرتز، وهو مقياس لكمية المعلومات التي يمكنه معالجتها في وقت واحد. والأهم من ذلك، أن كل هذا حدث دون تطبيق أي مجال مغناطيسي خارجي، بالاعتماد بدلاً من ذلك على البنية الداخلية الطبيعية لذرات الإيتربيوم لخلق مستويات الطاقة اللازمة للتحويل.
لفهم سبب نجاح عملية التحويل، فحص الباحثون كيفية تفاعل الذرات في البلورة مع مجال الميكروويف. وقد لاحظوا ظاهرة تُعرف باسم "التقاطع المتجنب" (avoided crossing)، حيث تتنافر مستويات الطاقة للذرات والرنان عندما تقترب من بعضها في التردد. هذا التنافر هو علامة واضحة على أن مجال الميكروويف والسبينات الذرية مرتبطان بقوة، حيث يتبادلان الطاقة ذهاباً وإياباً بسرعة أكبر مما يفقدونه لبيئتهم المحيطة. ومن خلال قياس الفجوة بين مستويات الطاقة هذه، حسب الفريق قوة الاقتران بـ 850 كيلو هرتز. أكد هذا الاتصال القوي أن البلورة لم تكن مجرد جسد سلبي في مجال الميكروويف، بل كانت تشارك بنشاط في التبادل الكمي المطلوب لعملية التحويل.
كما بحث الفريق في عدد الذرات التي تشارك فعلياً في العملية. ومن خلال زيادة قوة إشارة الميكروويف، وجدوا نقطة حيث توقف إضافة المزيد من الطاقة عن زيادة التحويل وبدأ الإشارة في الانخفاض. أشارت نقطة التشبع هذه إلى أن الذرات قد تم استثارتها بالكامل ولم تعد قادرة على امتصاص المزيد من الطاقة. ومن هذا السلوك، قدروا أن جزءاً ضئيلاً جداً من الذرات في البلورة، حوالي واحد من ألف، هو الذي يُستخدم في أي لحظة معينة. وهذا يشير إلى أن الإعداد الحالي لا يستخدم الإمكانات الكاملة للمادة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن شعاع الليزر واسع جداً ومجال الميكروويف منتشر على حجم كبير.
وبالنظر إلى المستقبل، استخدم الباحثون بياناتهم لحساب ما سيحدث إذا تم تحسين النظام. ووجدوا أن مجرد زيادة تركيز الإيتربيوم في البلورة من 5 أجزاء في المليون إلى 50 جزءاً في المليون يمكن أن يعزز الكفاءة بشكل كبير. كما اقترحوا أن تركيز شعاع الليزر بشكل أدق وتحسين الوصلات الكهربائية للرنان يمكن أن يؤدي إلى مكاسب إضافية. وبناءً على هذه الحسابات، يتوقعون أنه مع هذه التعديلات، يمكن أن ترتفع الكفاءة الداخلية إلى . ورغم أن هذا الرقم لا يزال صغيراً، إلا أنه يمثل تحسناً بمقدار ألف ضعف مقارنة بنتائجهم الحالية، ويقرب هذه التكنولوجيا من مستوى يمكن أن تكون فيه مفيدة لشبكات الكم الحقيقية.
يُظهر هذا العمل أن بلورات الإيتربيوم المطعمة هي مرشح قابل للتطبيق للتحويل الكمي، لا سيما لأنها تعمل دون المجالات المغناطيسية التي تعيق المواد الأخرى. لقد أثبت الباحثون أن الفيزياء الأساسية تعمل، وأن الذرات يمكن أن ترتبط بقوة بمجال الميكروويف، وأن التحويل يمكن أن يحدث بشكل مستمر. وبينما لا تزال الكفاءة الحالية منخفضة، فإن مسار التحسين واضح. ومن خلال تحسين تركيب البلورة والإعداد البصري، يمكن لهذه المنصة أن تعمل في النهاية كجسر، مما يسمح للحواسيب الكمية القوية في المستقبل بالتحدث بلغة الضوء والاتصال بشبكة إنترنت كمي عالمية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.