Broadband Quantum Optical Storage with Chemically Engineered Molecular Eu$^\text{{3+}}$ Complex

يعتمد مستقبل الإنترنت على نوع جديد من البنية التحتية: الشبكات الكمومية. وخلافاً للشبكة الحالية، التي ترسل المعلومات في شكل إشارات كهربائية أو نبضات ضوئية، تقوم هذه الشبكات بنقل البيانات باستخدام الحالات الهشة للذرات الفردية. ولجعل هذا الأمر يعمل عبر مسافات طويلة، يحتاج العلماء إلى وسيلة للإمساك بفوتون طائر، والاحتفاظ به في مكانه دون فقدان معلوماته الدقيقة، ثم إطلاقه في الوقت المطلوب تماماً. يُسمى هذا الجهاز "الذاكرة الكمومية". ولكي تكون مثل هذه الذاكرة مفيدة في شبكة واقعية، يجب أن تكون قادرة على تخزين مجموعة واسعة من الترددات في وقت واحد، تماماً مثل الراديو الذي يمكنه ضبط محطات عديدة في آن واحد بدلاً من محطة واحدة فقط. وكان التحدي يكمن في إيجاد مادة يمكنها الاحتفاظ بهذا النطاق الواسع من الإشارات بوضوح ولفترة طويلة.

لعقود من الزمن، بحث الباحثون في البلورات المطعمة بأيونات العناصر الأرضية النادرة، مثل اليوروبيوم، لتكون بمثابة وحدات التخزين هذه. تعمل هذه الذرات كحاويات صغيرة ومستقرة للضوء لأن مستويات طاقتها الداخلية محمية جيداً من التداخل الخارجي. ومع ذلك، فإن عائقاً كبيراً قد حد من قدرتها: وهو أن نطاق الترددات التي يمكنها تخزينها كان ضيقاً جداً، وغالباً ما يقتصر على بضعة ملايين من الدورات في الثانية فقط. وهذا النافذة الضيقة تجعل من الصعب تخزين الإشارات الواسعة والسريعة المطلوبة للاتصالات الكمومية عالية السرعة. وبينما أظهرت أنواع أخرى من الأيونات الأرضية النادرة وعوداً بتخزين أوسع، إلا أنها جاءت مع مشاوفها الخاصة، مثل فقدان الإشارة بسرعة أو امتصاص الكثير من الضوء في الخلفية.

لقد أظهر فريق من البوالثين نهجاً جديداً يكسر هذا الحاجز الضيق باستخدام مادة لا توجد في الطبيعة. فبدلاً من تعدين بلورة من الأرض، قاموا ببناء جزيء مخصص من الصفر. ومن خلال الهندسة الكيميائية لترتيب محدد من الذرات حول أيون اليوروبيوم، أنشأوا بنية داخلية فريدة تسمح للمادة بتخزين نطاق أوسع بكثير من الترددات. وباستخدام هذا الجزيء المهندس، نجحوا في تخزين نبضات ضوئية بعرض نطاق ترددي يصل إلى 200 مليون دورة في الثانية، وهو نطاق يمكن توسيعه بسهولة أكبر. ويمثل هذا الإنجاز المرة الأولى التي يتيح فيها التصميم الجزيئي قدرة تخزين كمومية كانت مستحيلة سابقاً مع أي مادة صلبة موجودة.

يكمن جوهر هذا الاختراق في كيفية تلاعب الباحثين بمستويات الطاقة داخل ذرة اليوروبيوم. في البلورة القياسية، تكون درجات الطاقة بين حالات الذرة ثابتة بسبب الشبكة الصلبة للمادة المحيطة بها. وقد أدرك الفريق أنه من خلال تصميم جزيء ذا شكل محدد ومنخفض التماثل، يمكنهم إجبار درجات الطاقة على اتباع نمط رياضي دقيق. لقد أنشأوا مركباً تكون فيه الفجوات بين مستويات طاقة الذرة مرتبطة ببعضها البعض بطريقة محددة: حيث كانت بعض الفجوات تبلغ ضعف حجم غيرها بالضبط، وأخرى كانت مضاعفات فردية لقيمة أساسية. هذا الترتيب المحدد أمر بالغ الأهمية لأنه يسمح للباحثين باستخدام تقنية تسمى "حرق الثقوب الطيفية" لنحت نمط مثالي من فتحات التخزين.

تخيل محاولة تخزين رسالة عن طريق رسم نمط من الخطوط الفاتحة والداكنة على حائط. إذا كان الحائط غير مستوٍ أو كان الطلاء يسيل، فستتشوه الرسالة. في هذه التجربة، "الحائط" هو قدرة المادة على امتصاص الضوء، و"الطلاء" هو ليزر يُستخدم لإزالة ترددات معينة. استخدم الباحثون الليزر لحرق القدرة على امتصاص الضوء عند ترددات معينة، تاركين وراءهم سلسلة من الفتحات الفارغة، أو "الثقوب"، المفصولة بفواصل دقيقة. ولأن الجزيء قد هُندس ليكون له التباعد الداخلي الصحيح، فقد اصطفت هذه الثقوب تماماً مع "الثقوب المضادة" أو مناطق زيادة الامتصاص، مما خلق بنية شبكية متكررة ونظيفة. تعمل هذه البنية مثل المشط، جاهزة لالتقاط مجموعة واسعة من الترددات الضوئية القادمة.

ولاختبار ذلك، قام الفريق بتخليق جزيء جديد يحتوي على أيون يوروبيوم محاط بروابط عضوية، وتحديداً مركباً يعرف باسم (Eu3+(TMHD)3(phen)). وقد زرعوا هذه المادة في كل من بلورات مسحوق صغيرة وبلورات أحادية أكبر بحجم المليمتر. وعندما قاموا بتبريد هذه العينات إلى درجة حرارة 1.4 كلفن، وهي درجة أعلى قليلاً من الصفر المطلق، بدأوا عملية إعداد وسيط التخزين. لقد أطلقوا سلسلة من النبضات الليزرية لإنشاء الشبكة الطيفية، مما مهد الطريق فعلياً للبيانات. وبمجرد تحديد النمط، أرسلوا نبضة ضوئية تمثل البيانات المراد تخزينها.

كانت النتائج مذهلة. فقد قاس الفريق كفاءة تخزين بلغت 14.9% للبلورة الأحادية، مما يعني أن ما يقرب من 15% من الضوء الوارد تم التقاطه وإعادة انبعاثه لاحقاً. وبالنسبة لعينة المسحوق، كانت الكفاءة أقل وبلغت 7.2%، لكنها ظلت كبيرة. والأهم من ذلك، أن النظام تعامل مع عرض نطاق ترددي قدره 200 ميجاهرتز، وهو تحسن هائل مقارلة بضعة ميجاهرتز التي يتم تحقيقها عادةً مع اليوروبيوم في البلورات القياسية. ووجد الباحثون أيضاً أنه يمكن استرجاع المعلومات المخزنة بعد فترة انتظار مدتها 10 مللي ثانية، وظلت المادة مستقرة لفترة أطول، مما يشير إلى إمكانية استرجاع البيانات بسرعة عالية وعند الطلب.

هذا العمل لا يكتفي فقط بتحسين رقم واحد؛ بل يضع مساراً جديداً للتكنولوجيا الكمومية. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال التعامل مع المادة المضيفة ليس ككتلة ثابتة وغير قابلة للتغيير، بل كعنصر قابل للتصميم، يمكنهم ضبط الخصائص الأساسية للنظام الكمومي. لقد أثبتوا أن الهندسة الكيميائية يمكن أن تحل مشكلة لم تستطع البلورات الفيزيائية حلها. لقد قدم الفريق إطاراً كاملاً لهذا النهج، موضحاً كيفية تصميم الجزيء، وتخليقه، وتحليل خصائصه الكمومية. لقد أثبتوا أن الترتيب المحدد للذرات في الجزيء هو الذي يحدد فجوات الطاقة، وأنه من خلال ضبط هذا الترتيب بشكل صحيح، يمكنهم إنشاء جهاز ذاكرة بقدرات لم توفرها الطبيعة.

تمتد الآثار المترتبة على ذلك إلى ما هو أبعد من مجرد التخزين. إن القدرة على التحكم الدقيق في البيئة الكهرومغناطيسية حول أيون العناصر الأرضية النادرة تفتح الباب أمام إنشاء مستشعرات كمومية أفضل ومصادر أكثر كفاءة للفوتونات المنفردة. وأشار الباحثون إلى أنه يمكن تطبيق هذه الطريقة على أيونات أخرى من العناصر الأرضية النادرة لإنشاء مواد تتوافق مع ترددات الأنظمة الكمومية الأخرى، مما يسمح بإنشاء شبكات هجينة تربط بين أنواع مختلفة من الأجهزة الكمومية. وبينما أُجريت التجربة الحالية في درجات حرارة منخفضة للغاية، فإن نجاح نهج الهندسة الكيميائية يشير إلى إمكانية تكييف المبادئ لإنشاء أنظمة أكثر قوة في المستقبل.

كما تناولت الدراسة أيضاً قيود المحاولات السابقة. فقد كانت الطرق السابقة المستخدمة مع اليوروبيوم مقيدة بضيق المسافات بين مستويات الطاقة، مما حد من عرض النطاق الترددي للتخزين. أما الأيونات الأخرى، مثل الثوليوم، فقد استطاعت تخزين نطاقات أوسع ولكنها افتقرت إلى الاستقرار اللازم أو تطلبت مجالات مغناطيسية معقدة لتعمل. وباستخدام مضيف جزيئي، تجاوز الفريق هذه القيود تماماً. لقد أظهروا أن الطبيعة "غير المثالية" للجزيء، بما تتضمنه من تشوهات محددة ونقص في التماثل، كانت في الواقع ميزة. فقد سمح لهم ذلك بكسر القواعد الصارمة لتماثل البلورة وإنشاء تباعد الطاقة الدقيق المطلوب لبروتوكول التخزين الجديد.

في التحليل النهائي، لم يجد الباحثون مجرد مادة أفضل؛ بل غيروا استراتيجية البحث عن مادة. فبدلاً من البحث عن بلورة مثالية في الطبيعة، قاموا ببناء البيئة المثالية للذرة. وقد أكدت التجربة أن جزيئاً مهندساً كيميائياً يمكنه تحقيق كفاءة تخزين وعرض نطاق ترددي لا يمكن لأي مادة صلبة موجودة أن تضاهيها. إن كفاءة 14.9% وعرض النطاق الترددي البالغ 200 ميجاهرتز ليست مجرد تحسينات تدريجية؛ بل تمثل تحولاً في كيفية تصميم الذاكرات الكمومية. ويشير العمل إلى أن مستقبل الشبكات الكمومية قد يعتمد أقل على اكتشاف معادن جديدة وأكثر على الفن الدقيق للتصميم الجزيئي.