Broadband Telecom Entanglement from an All-Fiber Type-0 Sagnac Source
تُظهر هذه الورقة مصدراً لـ "ساجناك" (Sagnac) مدمجاً ومنخفض التكلفة وكلي الألياف، يستخدم دليل موجي من نيوبات الليثيوم ذو استقطاب دوري (periodically poled) متصل بأسلاك ألياف (pigtailed)، لتوليد أزواج من الفوتونات المتشابكة في الاستقطاب، عريضة النطاق وغير متحللة في نطاق الاتصالات، وبدقة وسطوع عاليين، مما يوفر مساراً عملياً لتوزيع التشابك متعدد المستخدمين عبر البنية التحتية الحالية للألياف الضوئية.
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 الزوايا الهادئة للفيزياء الحديثة، يُدرس نوع معين من الضوء ليس بسبب سطوعه، بل بسبب روابطه الخفية. يتعلم العلماء كيفية إنشاء أزواج من جسيمات الضوء، وتسمى الفوتونات، تكون مترابطة بعمق لدرجة أن قياس أحدها يكشف فوراً عن حالة الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التشابك، هي الأساس لمستقبل ينتقل فيه المعلومات بأمان وتتمكن فيه الحواسيب من حل مشكلات مستعصية على آلات اليوم. ولجعل هذه التكنولوجيا مفيدة خارج المختبر، يحتاج الباحثون إلى وسيلة لتوليد هذه الأزواج المترابطة بشكل موثوق باستخدام نفس الكابلات الزجاجية التي تنقل بيانات الإنترنت لدينا بالفعل. ويكمن التحدي في بناء مصدر مدمج، وبأسعار معقولة، وقوي بما يكفي للصمود في رحلته من منصة المختبر إلى شبكة الألياف الضوئية، كل ذلك مع الحفاظ على الاتصال الكمي الدقيق الذي يجعل الجسيمات مميزة.
لقد صنع فريق من الباحثين في المعهد الملكي للتكنولوجيا (KTH) في ستوكهولم مثل هذا الجهاز تماماً. فقد أنشأوا مصدراً مدمجاً يعتمد كلياً على الألياف الضوئية، يولد أزواجاً من الفوتونات المتشابكة باستخدام مكونات قياسية متوفرة في الأسواق. قلب آلتهم هو دليل موجي بلوري صغير، وهو جهاز يوجه الضوء عبر مادة تسمى نيوبات الليثيوم، والتي تمت هندستها بنمط داخلي محدد لتشجيع خلق جسيمات ضوئية جديدة. وُضع هذا الدليل الموجي داخل حلقة من الألياف الضوئية مشكلة على هيئة مقياس تداخل "ساغناك" (Sagnac interferometer)، وهو تصميم يرسل الضوء للسفر في اتجاهين متعاكسين حول المسار نفسه. عندما يتم إرسال شعاع ليزر إلى هذه الحلقة، فإنه ينقسم ويسافر في كلا الاتجاهين، مع عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة. ومع مرور هذين الشعاعين عبر البلورة، فإنهما ينقسمان أحياناً إلى أزواج من الفوتونات الجديدة. ولأن الشعاعين يسلكان المسار نفسه، فإن الأزواج الناتجة عن الشعاع المتجه مع عقارب الساعة وتلك الناتجة عن الشعال المتجه عكس عقارب الساعة تكون غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض. وعندما يلتقي هذان الاحتمالان مجدداً، فإنهما يشكلان حالة واحدة موحدة حيث يكون الفوتونان متشابكين في استقطابهما، وهي خاصية تصف الاتجاه الذي تهتز فيه موجاتهما الضوئية.
قام الباحثون بتجميع هذا النظام بالكامل باستخدام أجز بتوفر تجاري، بما في ذلك موصلات الألياف الضوئية ومرشحات الطول الموجي، مما يثبت أن مصادر الكم عالية الجودة لا تتطلب أجهزة غريبة أو مصنعة خصيصاً. اختبروا الجهاز عن طريق إرسال شعاع ليزر بقدرة 0.5 ميلي واط إلى الحلقة. نجحت الآلة في إنتاج أزواج من الفوتونات بألوان مختلفة، أحدهما أقصر قليلاً والآخر أطول قليلاً، مما سمح بفصلها بسهولة باستخدام معدات الاتصالات القياسية. وللتحقق من جودة الاتصال بين الفوتونات، أجرى الفريق سلسلة من القياسات التي أعادت بناء الحالة الكمية الكاملة للأزواج. ووجدوا أن التشابك كان قوياً وموثوقاً. وصلت جودة الاتصال المقاسة، والمعروفة باسم "الدقة" (fidelity)، إلى قيمة 0.850، وهي قيمة عالية بما يكفي لدعم المهام الكمية المتقدمة مثل نقل المعلومات آنياً (teleporting) بين نقطتين، وهي عملية تتطلب اتصالاً أقوى مما هو ممكن بالفيزياء الكلاسيكية وحدها.
كما درست الدراسة بدقة ما يحدث عندما يتم دفع الآلة للعمل بقوة أكبر. فبينما كان الباحثون يزيدون من قدرة الليزر، كان عدد أزواج الفوتونات المنتجة ينمو، لكن جودة التشابك كانت تتناقص ببطء. وهذا المقايضة هي واقع شائع في هذه الأنظمة؛ إذ إن السعي وراء إنتاجية أكبر غالباً ما يؤدي إلى إدخال الضجيج الذي يطمس الاتصال المثالي قليلاً. حلل الفريق البيانات لفهم سبب عدم كمال الاتصال. واكتشفوا أن حوالي 96.7 بالمائة من أزواج الفوتونات كانت في الحالة المطلوبة، ولكن كمية صغيرة من الطاقة تسربت إلى حالات أخرى، وكان الاتصال بين المكونات الرئيسية أضعف قليلاً من الحد الأقصى النظري. وهم يشتبهون في أن فقدان المثالية هذا يأتي من اختلافات ضئيلة في الوقت الذي يستغرقه الشعاعان المتجهان في اتجاهين متعاكسين للمرور عبر النظام، وهي اختلافات صغيرة جداً تُقاس بأجزاء من تريليون من الثانية. ورغم أن الكواشف لا تستطيع رؤية هذه التأخيرات الضئيلة مباشرة، إلا أنها كافية لتقليل وضوح التشابك قليلاً.
رغم هذه العيوب الطفيفة، يمثل الجهاز خطوة مهمة نحو الشبكات الكمية العملية. فقد أظهر الباحثون أن الطبيعة عريضة النطاق للضوء المنبعث من مصدرهم تسمح بتقسيمه بسهء إلى قنوات متعددة باستخدام معدات قياسية، مما يعني أن جهازاً واحداً يمكنه خدمة مستخدمين متعددين في آن واحد. تم تصميم النظام بأك entier ليكون ميسور التكلفة وسهل التجميع، مما يلغي الحاجة إلى إجراءات المحاذاة المعقدة التي تتطلب عادةً فنيين خبراء. ومن خلال إثبات إمكانية بناء مصدر عالي الجودة مدمج بالألياف الضوئية باستخدام مكونات شائعة، قدم الفريق مساراً واضحاً لتوزيع الفوتونات المتشابكة عبر البنية التحتية الحالية للألياف الضوئية، مما يقرب وعد الإنترنت الكمي من الواقع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.