A proposal for a hybrid free-space optical quantum communication network with hexagonal boron nitride-based single photon sources
تقترح هذه الورقة شبكة اتصالات كمومية هجينة عبر الفضاء الحر تستخدم مصادر فوتونات مفردة قائمة على نتريد البورون السداسي لتمكين توزيع المفاتيح الكمومية من الأقمار الصناعية إلى الأرض في ضوء النهار، والدمج السلس مع الألياف الضوئية لنشر إنترنت كمومي عالي المعدل ومنخفض التكلفة.
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
تعتمد شبكة الإنترنت التي نستخدمها كل يوم على مجموعة من الأقفال الرقمية التي تحافظ على أمان حساباتنا المصرفية ورسائلنا الخاصة. ولعقود من الزمن، كانت هذه الأقفال قوية بما يكفي لصد حتى أكثر المتسللين إصراراً. ومع ذلك، يتوقع العلماء أن الحواسيب القوية الجديدة، المعروفة باسم الحواسيب الكمومية، ستصل قريباً بقدرتها على كسر هذه الأقفال التقليدية في ثوانٍ معدودة. وللاستعداد لهذا المستقبل، يعمل الباحثون على بناء نوع جديد من الأنظمة الأمنية القائمة على قوانين الفيزياء بدلاً من الرياضيات المعقدة. هذا النظام، المسمى "توزيع المفاتيح الكمومية"، يستخدم جسيمات فردية من الضوء لإنشاء رموز غير قابلة للكسر. وإذا حاول أي شخص التجسس على هذه الجسيمات، فإن فعل النظر إليها يغير حالتها، مما ينبه المستخدمين فوراً إلى أن الخط قد تم اختراقه. وبينما توفر هذه التكنولوجيا أماناً مثالياً، فإن بناء شبكة عالمية لها أمر صعب للغاية؛ إذ إن إرسال هذه الجسيمات الهشة عبر الهواء يكون مستحيلاً عادةً خلال النهار لأن ضوء الشمس يطغى على الإشارة الخافتة، كما أن إرسالها عبر الكابلات الزجاجية عبر مسافات طويلة يؤدي إلى تلاشيها.
لقد اقترح فريق من الباحثين في جامعة ميونيخ التقنية طريقة عملية للتغلب على هذه العقبات من خلال الجمع بين أفضل ما في العالمين: السماء والأرض. فهم يقترحون شبكة هجينة تستخدم الأقمار الصناعية لبث الإشارات الكمومية عبر القارات، والألياف الضوئية لإيصالها إلى المستخدمين الأفراد في المدن. ويكمكن جوهر فكرتهم من نوع محدد من مصادر الضوء المصنوعة من مادة تسمى "نيتريد البورون السداسي"، والتي يمكنها إنتاج الجسيمات الضوئية الفردية اللازمة حتى في البيئات القاسية. ومن خلال الاختيار الدقيق للون من الضوء يقع في فجوة طبيعية في ضوء الشمس، رسم الباحثون مساراً لإنترنت كمومي يمكنه العمل باستمرار، ليلاً ونهاراً، دون الحاجة إلى معدات ضخمة وباهظة الثمن.
إن التحدي المتمثل في إرسال المعلومات الكمومية عبر الهواء هو أن الشمس بمثابة ضوضاء خلفية صاخبة جداً. فخلال النهار، تؤدي شدة سطوع ضوء الشمس إلى طغيانها على الكواشف الحساسة اللازمة لرؤية الجسيمات الضوئية الفردية، مما يجعل الاتصال مستحيلاً. ولحل هذه المشكلة، نظر الباحثون في الطيف الشمسي، وهو قوس قزح الضوء القادم من الشمس. وضمن هذا القوس، توجد فجوات ضيقة ومظلمة تسمى "خطوط فراونهوفر" حيث لا يصدر عنها ضوء من الشمس بشكل طبيعي. ومن خلال ضبط نظامهم لإرسال الإشارات عبر إحدى هذه الفجوات الهادئة، يمكنهم تصفية ضوء الشمس الطاغي وسماع الإشارة الكمومية الخافتة بوضوح. استخدم الفريق نماذج حاسوبية لاختبار أي من هذه الفجوات المظلمة ستكون الأفضل، ووجدوا أن خطاً معيناً مرتبطاً بالكالسيوم، يقع عند طول موجي قدره 854 نانومتر، يوفر نقطة مثالية. فهذا الطول الموجي مظلم بما يكفي لحجب ضوء الشمس خلال النهار، ومع ذلك فهو قريب بما يكفي من الألوان القياسية المستخدمة في كابلات الألياف الضوئية للسماح بانتقال سلس من السماء إلى الأرض.
هذا الاختيار للطول الموجي أمر بالغ الأهمية لأنه يحل مشكلة "الميل الأخير". فبينما يمكن للأقمار الصناعية ربط المدن عبر المحيطات، إلا أنها لا تستطيع الوصول إلى سقف كل منزل أو مكتب. يجب أن يتم الاتصال النهائي بالمستخدم عبر الألياف الزجاجية الموجودة بالفعل تحت الأرض. تستخدم معظم التجارب الكمومية لوناً من الضوء ينتقل بشكل سيء عبر هذه الألياف، حيث يفقد إشارته بعد بضعة كيلومترات فقط. ومع ذلك، فإن الضوء بطول موجي 854 نانومتر الذي اقترحه فريق ميونيخ ينتقل لمسافات أبعد بكثير عبر الكابلات الزجاجية القياسية، حيث يفقد جزءاً صغيراً فقط من قوته. وهذا يعني أن محطة أرضية واحدة يمكنها استقبال إشارة من قمر صناعي ثم توزيعها على العديد من المستخدمين المختلفين في مدينة ما عبر شبكات الألياف الموجودة، بدلاً من مطالبة كل مستخدم بتثبيت تلسكوبه الخاص والمكلف على سطحه. وللاتصالات بين القارات، يعمل القمر الصناعي نفسه كـ "عقدة موثوقة"، وهو تسوية أمنية تعتبر مقبولة لأن القمر الصناعي يصعب الوصول إليه في الفضاء، بينما يمكن الوصول إلى المحطات الأرضية دون ملاحظة ذلك.
لتوليد الضوء اللازم لهذا النظام، لجأ الباحثون إلى مادة ثنائية الأبعاد تُعرف باسم "نيتريد البورن السداسي". هذه المادة هي بلورة رقيقة ومسطحة يمكنها احتواء عيوب صغيرة، أو ذرات مفقودة، تعمل كمصانع مثالية للجسيمات الضوئية الفردية. وخلافاً للعديد من مصادر الضوء الأخرى التي تكافح للعمل خارج المختبر، فإن هذه العيوب في نيتريد البورون السداسي قوية للغاية؛ إذ يمكنها العمل في فراغ الفضاء، وتحمل درجات الحرارة المتطرفة من البرودة الشديدة إلى الحرارة العالية، ولا تتدهور بسرعة بمرور الوقت. وقد حدد الباحثون أنواعاً معينة من العيوب داخل هذه المادة تبعث الضوء بشكل طبيعي بالقرب من الطول الموجي المطلوب 854 نانومتر. وبينما يعد إنشاء هذه العيوهات المحددة تحدياً، يقترح الفريق طريقة لاستخدام حزم الإلكترونات لتنشيطها بدقة عالية، مما يضمن إمداداً مستمراً من الضوء النقي اللازم للاتصالات الآمنة.
يرسم المقترح مساراً واقعياً نحو شبكة كمومية عالمية. فمن خلال استخدام النقاط الهادئة الطبيعية في ضوء الشمس لتصفية الضوضاء، يمكن للنظام أن يعمل خلال النهار، مما يضاعف الوقت المتاح للاتصال مقارنة بالأنظمة الحالية التي تعمل ليلاً فقط. ومن خلال مطابقة إشارة القمر الصناعي مع الألوان المستخدمة في الألياف الضوئية، يمكن للشبكة سد الفجوة بين الفضاء وجهاز الكمبيوتر الخاص بالمستخدم، باستخدام عقدة قمر صناعي موثوقة للروابط طويلة المدى مع تمديد الوصول الآمن للمستخدمين النهائيين عبر الألياف. لقد بدأ الباحثون بالفعل في بناء نسخة تجريبية من هذه الشبكة الليفية في حرم جامعتهم لإثبات نجاح المفهوم. وإذا نجح الأمر، فإن هذا النهج الهجين يمكن أن يسرع من وصول الإنترنت الكمومي، مما يوفر أساساً آمناً للعالم الرقمي قبل وصول الحواسيب القوية في المستقبل لكسر دفاعاتنا الحالية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.