A programmable quantum photonic platform integrating coherent emitters

غالباً ما يبدو حلم الحوسبة الكمومية وكأنه أفق بعيد، مكان لا تتم فيه معالجة المعلومات عبر التدفق المستمر للكهرباء، بل من خلال السلوك الغريب والهش لجسيمات الضوء. ولكي يصبح هذا التصور حقيقة واقعة، يحتاج العلماء إلى بناء دوائر متناهية الصغر يمكنها توليد وتوجيه ومعالجة جسيمات الضوء هذه بنفس الدقة التي تتعامل بها الإلكترونيات الحديثة مع الإلكترونات. ويكمن التحدي في الجمع بين عالمين مختلفين تماماً: المصادر التي تخلق جسيمات ضوئية مفردة ونقية، والأسلاك المعقدة اللازمة لتوجيهها. وبينما أتقن الباحثون فن إنشاء مصادر ضوئية عالية الجودة باستخدام هياكل أشباه موصلات دقيقة، وبنوا بشكل منفصل دوائر متطورة لتوجيه الضوء، ظل دمج هاتين التقنيتين معاً على شريحة واحدة عقبة مستعصية. ولا تكمن الصعوبة في مجرد وضعهما جنباً إلى جنب، بل في جعلهما يعملان معاً دون أن يؤدي البرد الشديد المطلوب للمصادر الضوئية إلى تعطيل الآليات الدقيقة للدوائر.

لقد قطع فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال استعراض نوع جديد من المنصات القابلة للبرمجة التي تدمج هذه المكونات في نظام واحد عامل. فقد ابتكروا جهازاً على شريحة مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم يمكنه التحكم في آن واحد في مصدر للفوتونات المفردة وفي مفتاح ميكانيكي يوجهها. والمصدر هو "نقطة كمومية"، وهي هيكل شبه موصل مجهري يبعث جسيماً واحداً من الضوء في كل مرة، بينما المفتاح عبل هيكل صغير يشبه المرآة المتحركة يمكن تعديله بالكهرباء لإرسال الضوء عبر مسارات مختلفة. ومن الأهمية بمكان أن الباحثين أظهروا قدرتهم على تشغيل كل من مصدر الضوء والمفتاح في وقت واحد، حتى في درجات الحرارة المتجمدة اللازمة لبقاء الضوء نقياً. ويتيح هذا التكامل لهم القيام بمهام معقدة، مثل تقسيم شعاع من الضوء، وإحداث تداخل بين شعاعين منفصلين، وقياس كيفية ارتداد الضوء عن المصدر، وكل ذلك ضمن بنية واحدة قابلة لإعادة التشكيل.

إن جوهر هذا الإنجاز هو شريحة تضم مكونات مستقلة متعددة، لكل منها تحكماتها الكهربائية الخاصة، ومع ذلك فهي جميعاً متصلة بشبكة من أدلة الضوء المجهرية. وقد صمم الباحثون الشريحة بحيث لا تتداخل الإشارات الكهربائية المستخدمة لضبط مصدر الضوء مع الإشارات المستخدمة لتحريك المفتاح الميكانيكي. كان هذا عائقاً كبيراً لأن مصدر الضوء يتطلب جهداً كهربائياً لطيفاً للعمل، بينما يحتاج المفتاح الميكانيكي إلى دفعة أقوى بكثير للتحرك. ومن خلال عزل الوصلات الكهربائية بعناية، ضمن الفريق بقاء الخصائص الكمومية الدقيقة للضوء سليمة حتى أثناء ضبط المفتاح. والنتيجة هي نظام يمكن فيه توليد فوتون واحد، وتوجيهه عبر مفتاح ميكانيكي، ثم اكتشافه، كل ذلك مع الحفاظ على طابعه الكمومي الفريد.

ولإثبات أن النظام عمل كما هو مخطط له، اختبر العلماء أولاً قدرة المفتاح الميكانيكي على التعامل مع الفوتونات المفردة. فقد وجهوا الضوء من نقطة كمومية واحدة إلى المفتاح وقاسوا كيف خرج الضوء من مساري المخرج. ومع تعديل الجهد الكهربائي على المفتاح، تغيرت نسبة الضوء المتجه إلى كل مسار بسلاسة، مما أظهر تحكماً دقيقاً. والأهم من ذلك، أنهم أكدوا أن الضوء ظل تدفقاً من الجسيمات الفردية طوال العملية. فحتى مع ضبط المفتاح لإرسال الضوء في اتجاهات مختلفة، لم تتكتل الفوتونات أو تفقد طبيعتها كجسيمات مفردة. وأظهر هذا أن الحركة الميكانيكية للمفتاح لم تخل بالحالة الكمومية للضوء، وهو مطلب أساسي لأي حاسوب كمومي مستقبلي.

ثم استكشف الباحثون ما إذا كان الضوء سيحتفظ بقدرته على التداخل مع نفسه، وهي خاصية أساسية في ميكانيكا الكم. فقد أقاموا تجربة حيث تم تقسيم الفوتونات من نفس المصدر ثم إعادة دمجها، مما خلق نمطاً يعتمد على الطبيعة الموجية للضوء. وكشفت القياسات أن الفوتونات يمكنها بالفعل التداخل مع بعضها البعض، مما أنتج إشارة واضحة أكدت أن تماسكها قد تم الحفاظ عليه. وهذا يعني أن الضوء المنبعث من النقطة الكمومية ظل مستقراً ويمكن التنبؤ به حتى بعد مروره عبر الأسلاك المعقدة والمكونات الميكانيكية. وتعد القدرة على الحفاظ على هذا التماسك أمراً ضرورياً لإجراء الحسابات المعقدة التي صُممت الحواسيب الكمومية للقيام بها.

وبعيداً عن التوجيه البسيط، أظهر الفريق أن المنصة يمكن استخدامها لدراسة كيفية تفاعل الضوء مع المادة بطرق أكثر تعقيداً. فقد أظهروا أن النظام يمكنه قياس كيفية انعكاس وانتقال الضوء من نقطة كمومية واحدة عندما يتم ضبطها على تردد معين. ومن خلال تعديل المفتاح الميكلاني، تمكنوا من فصل الضوء الذي ارتد من المصدر عن الضوء الذي مر عبره. سمح هذا لهم بمراقبة كيفية تعديل النقطة الكمومية للضوء، مما أدى إلى حدوث انخفاض في الإشارة المنقولة وذروة في الإشارة المنعكسة. وأكدت هذه القياسات أن المنصة يمكن استخدامها لسبر الخصائص الأساسية للتفاعل بين الضوء والمادة، مما يفتح الباب أمام أنواع جديدة من التجارب الكمومية.

ولعل الأمر الأكثر أهمية هو أن الباحثين أظهروا أن النظام يمكنه التحكم في مصدرين ضوئيين منفصلين في وقت واحد. فقد قاموا بضبط نقطتين كموميتين مختلفتين لبعث الضوء عند التردد نفسه تماماً، مع تعويض الاختلافات الطبيعية التي تحدث أثناء التصنيع. وبمجرد محاذاتهما، أرسلوا الفوتونات من كلا المصدرين إلى المفتاح الميكانيكي، حيث تداخلت مع بعضها البعض. وأظهرت القياسات الناتجة توقيعاً واضحاً للتداخل الكمي بين الباعثين المستقلين. وتعد هذه القدرة خطوة حيوية نحو توسيع الأنظمة الكمومية، لأنها تثبت أنه يمكن مزامنة عدة مصادر والتحكم فيها على شريحة واحدة دون فقدان خصائصها الفردية.

يعتمد نجاح هذه المنصة على مزيج من المواد المتقدمة والهندسة الدقيقة. فقد بُنيت الشريحة باستخدام طبقة من مادة أشباه الموصلات كانت معلقة فوق الركيزة، مما خلق غشاءً حراً. سمح هذا التصميم للمكونات الميكلة بالتحرك بحرية دون احتكاك، بينما منعت خنادق العزل الكهربائي الإشارات من جزء واحد من الشريحة من التأثير على الأجزاء الأخرى. يعمل النظام بأكمله عند درجة حرارة تبلغ حوالي 5 كلفن، وهي حالة ضرورية للحفاظ على استقرار النقاط الكمومية ولضمان عمل المفتاح الميكانيكي بكفاءة عالية. كما لاحظ الباحثون أن النظام ظل مستقراً عبر دورات متعددة من التسخين والتبريد، مما يشير إلى أن الجهاز قوي بما يكفي للاستخدام العملي.

وعلى الرغم من أن النظام الحالي هو مجرد إثبات للمفهوم، إلا أن الباحثين يرون مساراً واضحاً لتوسيع قدراته. ويقترحون أن النسخ المستقبلية يمكن أن تتضمن كواشف على الشريحة لإلغاء الحاجة إلى معدات خارجية، ويمكن تكييفها للعمل مع أطوال موجية مختلفة من الضوء. إن دمج هذه المكونات في منصة واحدة قابلة للبرمجة يمثل تحولاً من بناء أجهزة كمومية معزولة إلى إنشاء أنظمة مترابطة ومعقدة. ويوفر هذا العمل أساساً للجيل القادم من الدوائر الضوئية الكمومية، حيث يمكن إجراء توليد الضوء ومعالجته واكتشافه جميعاً ضمن شريحة واحدة قابلة لإعادة التشكيل. إن القدرة على التحكم في عدة باعثات كمومية وتوجيه ضوئها بدقة تقرب رؤية معالج كمومي متكامل تماماً خطوة أخرى نحو الواقع.