Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation: Kilohertz Entanglement in a Heterogeneous Quantum System

إن بناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرة الآلات الحالية يتطلب تحولاً جذرياً في كيفية تفكيرنا في المعلومات. فبدلاً من البتات التي تكون إما صفراً أو واحداً، تستخدم هذه الآلات المستقبلية بتات كمومية، أو "كيوبتات" (qubits)، والتي يمكن أن توجد في مزيج دقيق من كلتا الحالتين في آن واحد. ولجعل هذه الآلات قوية بما يكفي لمعالجة التحديات الواقعية، لا يمكن للعلماء الاعتماد على شريحة واحدة؛ بل يجب عليهم ربط العديد من المعالجات الصغيرة معاً في شبكة واسعة. وتكمن المشكلة في أن توصيل هذه الوحدات المنفصلة أمر صعب للغاية؛ إذ يجب أن يكون الاتصال سريعاً بما يكفي لمنع المعلومات الكمومية من التلاشي، ويجب أن يكون دقيقاً بما يكفي لضمان تزامن طرفي الرابط بشكل مثالي. فإذا كان الاتصال بطيئاً جداً أو عرضة للأخطاء، سينهار النظام بأكمله قبل أن يتمكن من إنهاء عملية حسابية.

لسنوات، حاول الباحثون سد هذه الفجوات باستخدام الضوء. وتعد الفوتونات، وهي الجسيمات التي يتكون منها الضوء، حاملات ممتازة للمعلومات لأنها تسافر بسرعة وتتفاعل بشكل ضعيف مع محيطها. ومع ذلك، فإن إرسال فوتون من معالج إلى آخر يشبه محاولة الإمساك بـ "يراعة" وسط إعصار؛ ففي معظم الأوقات، يضيع الضوء قبل أن يصل إلى وجهته. وهذا الفقد يجبر العلماء على المحاولة مراراً وتكراراً، مما يبطئ العملية برمتها لتصبح بطيئة للغاية. وكان الهدف دائماً هو إيجاء طريقة لجعل هذا الاتصال يحدث آلاف المرات في الثانية، بما يطابق السرعة التي تعمل بها المعالجات نفسها.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو تحقيق ذلك الهدف من خلال النجاح في ربط نوعين مختلفين تماماً من الأنظمة الكمومية بسرعة لم يسبق لها مثيل. فقد قاموا بربط ذرة واحدة، محتجزة في فراغ بواسطة مجالات كهربائية، مع عيب صغير داخل بلورة ألماس. تعمل الذرة كمعالج، بينما يعمل العيب داخل الألماس كوحدة ذاكرة. ومن خلال استخدام شعاع من الضوء لجسْر الفجوة بينهما، تمكن الفريق من إنشاء رابط خاص يسمى "التشابك" (entanglement)، حيث يصبح الشيئان المتباعدان متصلين بعمق لدرجة أن حالة أحدهما تؤثر فورياً على الآخر. وقد حققوا هذا الرابط بمعدل متوسط قدره 1.03 ألف مرة في الثانية، وهي سرعة تطابق زمن دورة المعالجات التي يأملون في ربطها في المستقبل.

تضمنت التجربة رحلة مصممة بدقة لجسيم واحد من الضوء. بدأت بـ "أيون باريوم"، وهو ذرة واحدة من الباريوم، محتجزة في غرفة فراغ. قام الباحثون بإثارة هذه الذرة بنبضة ليزر، مما تسبب في انبعاث فوتون. حمل هذا الفوتون معلومات عن الحالة الداخلية للذرة، لكنه لم يكن جاهزاً بعد للسفر إلى الألماس. كان على الفوتون أن يتحول إلى لون مختلف من الضوء، وكان لزاماً إعادة كتابة معلوماته في تنسيق جديد يمكن للألماس فهمه. استخدم الفريق بلورة خاصة لتغيير لون الفوتون وجهازاً آخر لتغيير كيفية ترميز معلوماته، محولين إياه من إشارة تعتمد على الاستقطاب إلى إشارة تعتمد على التوقيت.

بمجرد أن أصبح الفوتون جاهزاً، سافر عبر ألياف بصرية إلى شريحة ألماس مبردة إلى درجة حرارة أعلى قليلاً من الصفر المطلق. وفي داخل هذه الشريحة، وجد "مركز فراغ السيليكون"، وهو نوع محدد من العيوب حيث تستقر ذرة سيليكون في مكان يشغله عادةً ذرة كربون. يعمل هذا العيب كذاكرة كمومية. وعندما وصل الفوتون، تفاعل مع دوران الإلكترون في عيب السيليكون. وإذا انعكس الفوتون بواسطة تجويف الألماس، فهذا يعني أن التفاعل قد حدث، وأن النظامين أصبحا الآن متشابكين. وقد كان رصد هذا الفوتون المنعكس وحده بمثابة إشارة، أو "إعلان" (herald)، يؤكد أن الاتصال قد تم بنجاح.

قاس الباحثون جودة هذا الاتصال ووجدوا أنها عالية بشكل ملحوست. كانت الأزواج المتشابكة التي أنتجوها صحيحة بنسبة 88 بالمائة. وهذا المستوى من الدقة أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أن الرابط موثوق بما يكفي لاستخدامه في الشبكات الكمومية المستقبلية. أما السرعة البالغة 1.03 ألف اتصال في الثانية فهي أسرع بأربع مرات من الرقم القياسي السابق لربط أيونين محتجزين. والأهم من ذلك، أن هذا المعدل يتوافق مع إجراء اتصال ناجح واحد كل ميلي ثانية، وهو نفس السرعة التي ستعمل بها المعالجات القائمة على الأيونات والمخطط لها مستقبلاً. وهذا التزامن أمر حيوي؛ فإذا كانت الشبكة أبطأ من المعالج، فسيقضي الحاسوب معظم وقته في انتظار البيانات بدلاً من الحوسبة.

اعتمد نجاح هذه التجربة على الجمع بين نقاط القوة في تقنيتين مختلفتين. فالأيون المحتجز ممتاز في إصدار الفوتونات بسرعة، ولكن من الصعب جمع تلك الفوتونات بكفاءة. ومن ناحية أخرى، فإن ذاكرة الألماس جيدة جداً في التفاعل مع الفوتونات، لكنها تواجه صعوبة في توليدها بمفردها. ومن خلال ربط الاثنين، أنشأ الفريق نظاماً هجيناً يوفر فيه الأيون السرعة ويوفر فيه الألماس الكفاءة. وقد تغلبوا على المقايضات المعتادة باستخدام إعداد سمح لهم بجمع الضوء من الأيون دون وضع أدوات بصرية معقدة داخل غرفة الفراغ، ثم عكسه عن ذاكرة الألماس بدقة عالية.

بينما تعد النتائج مثيرة للإعجاب، إلا أن الباحثين واضحون في أن هذه ليست الوجهة النهائية. فلا يزال النظام الحالي يفقد بعض الفوتونات في طريقه، كما أن الدقة (fidelity)، أو جودة الاتصال، ليست مثالية بعد. وقد حدد الفريق مصادر محددة للخطأ، مثل تسرب الضوء عبر المرشحات أو فقدان الذاكرة لحالتها قبل تأكيد الاتصال. ويعتقدون أنه من خلال تحسين جمع الضوء، وتطوير عملية التحويل، واستخدام كواشف أفضل، يمكنهم رفع السرعة بشكل أكبر، وربما الوصول إلى معدلات تصل إلى خمسة آلاف اتصال في الثانية أو أكثر.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن بناء شبكة كمومية تعمل بسرعة المعالجات التي تربطها. كما يثبت أن الأنظمة غير المتجانسة، التي تمزج أنواعاً مختلفة من الأجهزة الكمومية، يمكن أن تعمل معاً بفعالية. وبينما يتطلع الباحثون إلى الأمام، فإنهم يرون مساراً لربط العديد من هذه الوحدات لإنشاء حاسوب كمومي واسع النطاق. ويمكن لهذا الهيكل أن يسمح بتوزيع التشابك عبر الشبكة، مما يمكن المعالجات من العمل معاً على خوارزميات معقدة. كما أن القدرة على نقل الحالات الكمومية من إشارة ضعيفة إلى معالج قوي يمكن أن تفتح آفاقاً جديدة في الاستشعار والاتصالات. وتعد هذه التجربة دليلاً ملموساً على إمكانية التغلب على عقبة الاتصالات الاحتمالية البطيئة، مما يقرب رؤية الإنترنت الكمومي الموزع خطوة أخرى نحو الواقع.