Photon Demultiplexing Using Spatial Routing

تعد الشبكات الكمومية بمستقبل يتم فيه تبادل المعلومات بأمان مطلق، اعتماداً على خاصية غريبة للضوء تسمى "التشابك". عندما يكون جزيئان متشابكين، فإنهما يظلان مرتبطين عبر أي مسافة، بحيث يكشف قياس أحدهما فوراً عن حالة الآخر. ولبناء شبكة مفيدة، يجب على العلماء أن يكونوا قادرين على إرسال هذه الأزواج المرتبطة من مصدر واحد إلى العديد من المستخدمين في آن واحد. حالياً، الطريقة الأكثر كفاءة للقيام بذلك لعدد كبير من المستخدمين هي تقسيم شعاع الضوء إلى مسارات منفصلة، وهي عملية تُعرف باسم "التقسيم المكاني". ومع ذلك، وحتى الآن، كان يتعين على المهندسين التخمين بشأن عدد المستخدمين الذين يمكن لمصدر واحد دعمهم. لقد بنوا أنظمة لعدد قليل من أزواج المستخدمين، لكن الحدود الأساسية لعدد القنوات التي يمكن إنشاؤها، ومقدار الإشارة التي ستُفقد في العملية، ظلت لغزاً. وبدون وجود قواعد واضحة، كان توسيع هذه الشبكات عبارة عن عملية تعتمد على التجربة والخطأ بدلاً من كونها مهمة هندسية دقيقة.

لقد قدم فريق من الباحثين في مركز قطر للحوسبة الكمومية الآن تلك القواعد المفقودة. فقد طوروا إطاراً عملياً يتنبأ بالضبط بعدد أزواج المستخدمين الذين يمكن خدمتهم بواسطة مصدر واحد من الضوء المتشابك، بناءً على الخصائص الفيزيائية للضوء نفسه. ومن خلال تحليل هندسة شعاع الضوء، استنتجوا علاقة بسيطة تحدد الحد الأقصى لعدد القنوات الممكنة لمستوى معين من الدقة. وفي اختباراتهم، أظهروا نظاماً قادراً على خدمة اثني عشر زوجاً متميزاً من المستخدمين في وقت واحد. ومن المثير للاهتمام أن هذا النظام حافظ على اتساق توجيه يتجاوز 99.99 بالمائة، مما يعني أن الشركاء الصحيحين تم الربط بينهم دائماً تقريباً، مع التضحية بـ 12 بالمائة فقط من شدة الضوء الإجمالية. هذا العمل يحول إنشاء الشبكات الكمومية متعددة المستخدمين من تحدٍ للأجهزة يعتمد على التجربة والخطأ إلى عملية تصميم قابلة للتنبؤ.

يكمن جوهر هذا الاكتشاف في كيفية توليد الضوء المتشابك. فعندما يُضرب نوع معين من البلورات بليزر، فإنها تقسم الفوتونات الفردية إلى أزواج تطير في مخروط مجوف، مكونة شكلاً حلقياً عند النظر إليها من الأمام. ويملي قانون أساسي في الفيزياء أنه مقابل كل فوتون في اتجاه معين، يجب أن يظهر شريكه في الجانب المقابل تماماً من الحلقة. وهذا يخلق خريطة طبيعية حيث لكل نقطة شريك مثالي عبر الدائرة. وقد أدرك الباحثون أنهم إذا استطاعوا تقسيم هذه الحلقة إلى قطع تشبه الأوتاد (مثل قطع البيتزا)، يمكن لكل قطعة أن تعمل كقناة مخصصة لزوج واحد من المستخدمين. وكان التحدي يكمن في تحديد عدد القطع التي يمكن صنعها قبل أن يبدأ الشركاء في الاختلاط أو "العبور" إلى القناة الخطأ.

ولحل هذه المعضلة، ركز الفريق على التمويه الطفيف في حلقة الضوء الناتج عن شعاع الليزر نفسه. فبينما يُفترض أن يكون الشركاء متقابلين تماماً، يتسبب عرض الليزر في قدر ضئيل من عدم اليقين في مواقعهم. وقد حسب الباحثون أن عدم اليقين هذا يعتمد على قياسين محددين: عرض شعاع الليزر ونصف قطر حلقة الضوء. ووجدوا أن هذين الرقمين يجتمعان في قيمة واحدة تحدد سعة النظام بأكب. فإذا كانت هذه القيمة كبيرة، تكون الحلقة حادة وواسعة، مما يسمح بالعديد من القطع. وإذا كانت صغيرة، تكون الحلقة ضبابية، وتكون القطع الممكنة أقل. سمحت هذه الرؤية لهم بإنشاء صيغة تخبر المهندسين بالضبط عدد القنوات التي يمكنهم بناؤها قبل أن يصبح معدل الخطأ مرتفعاً جداً، مما يلغي الحاجة إلى التخمين.

كما اكتشف الفريق طريقة ذكية للتعامل مع الأخطاء الحتمية التي تحدث عندما يهبط فوتون بالقرب من حافة إحدى القطع. ففي المحاولات السابقة، كانت هذه الحالات الطرفية تتسبب في أخطاء تفسد الاتصال. واقترح الباحثون ترك فجوة صغيرة فارغة بين كل قطعة وأخرى، وهي "نطاق حماية" (guard band)، حيث يتم ببساطة التخلص من أي فوتون يهبط فيها. ومن خلال التضحية بكمية صغيرة من الضوء لإنشاء هذه الفجوات، وجدوا أن معدل الخطأ ينخفض بشكل كبير. وفي إعدادهم الخاص، سمح استخدام فجوة بنسبة 5 بالمائة حول كل قطعة بتحقيق معدل نجاح يتجاوز 99.99 بالمائة. أثبتت هذه المقايضة كفاءة عالية، حيث كانت تكلفة الضوء المفقود خطية وصغيرة، بينما كانت المكاسب في الدقة أسية. هذه الطريقة تحول ما كان يوماً عائقاً في الأجهزة إلى معلم تصميم قابل للضبط.

لم يقتصر البحث على مجرد عد القنوات، بل كشفت الدراسة أيضاً أن تقسيم الضوء يحسن جودة الاتصال لكل مستخدم. ففي الاتصالات الكمومية، تبرز مشكلة رئيسية وهي "المطابقات العرضية"، حيث يصل فوتونان غير مرتبطين في نفس الوقت ويُظن خطأً أنهما زوج واحد. وأظهر الباحثون أنه من خلال تقسيم الحلقة إلى عدة أجزاء، تصبح هذه المطابقات العرضية أقل احتمالاً للحدوث داخل قناة واحدة. ومع زيادة عدد المستخدمين، تظل الإشارة لكل مستخدم قوية بينما تنخفض الضوضاء الخلفية. وهذا يعني أنه مع نمو الشبكة، تزداد كمية المعلومات الآمنة التي يمكن للنظام توليدها بالفعل، بدلاً من أن تبقى كما هي أو تسوء.

كما أوضحت الدراسة ما لا يهم بالنسبة لهذا النظام. فقد أثبت الباحثون أن طول البلورة المستخدمة لإنشاء الضوء لا يؤثر على عدد القنوات الممكنة؛ بل يغير فقط مدى سطوع الضوء. وبالمثل، فإن اللون المحدد للضوء لا يغير السعة، طالما تم إعداد النظام بشكل صحيح. هذا الاستقلال يعني أن المهندسين يمكنهم تحسين سطوع المصدر بشكل منفصل عن عدد المستخدمين الذين يرغبون في خدمتهم. وهكذا تتقلص مشكلة التصميم بأكملها إلى إدارة ذلك المعلم الواحد عديم الأبعاد المستمد من عرض الليزر وحجم الحلقة.

يوفر هذا العمل مساراً واضحاً للمضي قدماً في بناء شبكات كمومية واسعة النطاق. فمن خلال إقامة رابط مباشر بين الخصائص الفيزيائية لمصدر الضوء وعدد المستخدمين الذين يمكن دعمه، نقل الباحثون هذا المجال من مجرد تجارب استعراضية إلى معايير هندسية. لقد أظهروا أن مصدراً واحداً يمكنه خدمة اثني عشر زوجاً من المستخدمين بدقة شبه مثالية، وهو إنجاز لم يكن قابلاً للقياس الكمي سابقاً. الإطار الذي طوروه يسمح بالحساب الدقيق لسعة القناة، وتحسين معدلات الخطأ من خلال نطاقات الحماية، وضمان بقاء النظام عادلاً وفعالاً مع توسعه. يقدم هذا النهج مخططاً لمستقبل الاتصالات الكمومية، حيث يمكن لمصدر واحد أن يربط مدينة من المستخدمين بأمان دون الحاجة إلى أجهزة تبديل معقدة ونشطة.