A Fibre-Integrated SPDC Heralded Single-Photon Source Using Zn-Indiffused PPLN Ridge Waveguides at Telecom Wavelengths

في عالم ميكانيكا الكم الهادئ وغير المرئي، يتصرف الضوء بطرق تتحدى حدسنا اليومي. فبدلاً من التصرف كتدفق مستمر من الجسيمات، يمكن تقسيم الضوء إلى حزم فردية تسمى الفوتونات، والتي يمكن أن ترتبط ببعضها البعض بطريقة غامضة تُعرف باسم "التشابك". عندما يتشابك فوتونان، فإن حالة أحدهما تؤثر فوراً على حالة الآخر، بغض النظر عن المسافة الفاصلة بينهما. هذه الظاهرة ليست مجرد فضول نظري؛ بل هي الأساس لجيل جديد من التكنولوجيا، بما في ذلك شبكات الاتصالات فائقة الأمان وأجهزة الاستشعار القادرة على قياس الكون بدقة غير مسبوقة. ولبناء هذه الأنظمة المستقبلية، يحتاج العلماء إلى طريقة موثوقة لإنشاء هذه الأزواج المتشابكة من الفوتونات، وتحديداً عند الأطوال الموجية المستخدمة في البنية التحتية العالمية للإنترنت، حتى تتمكن من الانتقال عبر كابلات الألياف الضوئية الموجودة دون أن تُفقد أو تتشوه.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة فعالة للغاية لتوليد أزواج الفوتونات المتشابكة هذه باستخدام جهاز يتسع بالكامل داخل كابل ألياف ضوئية قياسي. ومن خلال الجمع بين بلورة متخصصة وترتيب ذكي من المرايا والمقسمات، أنشأوا مصدراً ينتج طيفاً واسعاً من الضوء المتشابك، وهي ميزة حاسمة لإرسال تدفقات متعددة من البيانات في وقت واحد. وقد أظهر الباحثون، الذين عملوا باستخدام وحدة بلورية متاحة تجارياً، أن نظامهم يمكنه توليد أزواج متشابكة عبر مجموعة واسعة من الألوان، وتحديداً تغطي عرض نطاق يبلغ حوالي 67 نانومتراً. ويعد هذا إنجازاً كبيراً لأنه يسمح بنقل العديد من قنوات المعلومات في آن واحد، وهي تقنية تُعرف باسم "تعدد الإرسال الطولي الموجي"، وهو أمر ضروري لتوسيع نطاق الشبكات الكمومية للتعامل مع متطلبات البيانات الهائلة في المستقبل.

تضمن جوهر تجربتهم بلورة مصنوعة من "نيوبات الليثيوم"، وهي مادة تم تطعيمها بالمغنيسيوم والزنك لتحسين أدائها. وقد تم تشكيل هذه البلورة على هيئة حافة صغيرة وتوصيلها مباشرة بكابلات الألياف الضوئية عند كلا الطرفين، مما خلق جسراً سلساً بين مصدر الضوء وشبكة الإرسال. قام الباحثون بضخ شعاع ليزر في هذه البلورة عند طول موجي محدد يبلغ 780 نانومتراً. وبينما كان ضوء الليزر ينتقل عبر البلورة، انقسم تلقائياً إلى أزواج من الفوتونات ذات طاقة أقل، وهي عملية تُعرف باسم "التحويل الهبوطي البارامتري التلقائي". ولضمان تشابك هذه الأزواج في استقطابها — أي اتجاه اهتزاز موجات الضوء الخاصة بها — وضع الباحثون البلورة داخل "مداخلة ساغناك" (Sagnac interferometer). وهي عبة من كابل الألياف الضوئية حيث يسافر ضوء الليزر في كلا الاتجاهين، مع عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة، في الوقت نفسه. ولأن الضوء يسلك المسار نفسه في كلا الاتجاهين، يظل النظام مستقراً بشكل مذهل، حيث يقوم تلقائياً بتصحيح الاهتزازات الصغيرة أو التغيرات في درجات الحرارة التي قد تؤدي لولا ذلك إلى إفساد الاتصال الكمومي الدقيق.

كانت نتائج هذا الإعداد مذهلة. فعندما قاس الباحثون الضوء الخارج من النظام، وجدوا أن الفوتونات كانت بالفعل متشابكة بقوة. وقد اختبروا ذلك من خلال قياس مدى ارتباط الفوتونات ببعضها البعض عبر زوايا مختلفة، وهو اختبار كشف عن متوسط رؤية بلغ 96.9 بالمائة. وفي عالم التجارب الكمومية، يعد هذا الرقم مقياساً لمدى وضوح العلاقة المتشابكة التي يمكن رؤيتها؛ وتشير الدرجة العالية كهذه إلى أن الفوتونات تتصرف تماماً كما تتنبأ النظرية الكمومية. علاوة على ذلك، أجروا اختباراً إحصائياً صارماً يُعرف باسم "اختبار بيل"، والذي يتحقق مما إذا كان الاتصال بين الجسيمات كمومياً حقاً أم أنه يمكن تفسيره بالفيزياء الكلاسيكية. وكانت النتيجة هي 2.501، وهي أعلى بكثير من الحد الأقصى المسموح به وهو 2 في الفيزياء الكلاسيكية، مما يؤكد أن المصدر ينتج تشابكاً كمومياً حقيقياً.

أحد أهم جوانب هذا العمل هو أن الباحثين حققوا هذه النتائج عالية الجودة دون استخدام مرشحات ثقيلة لتضييق ألوان الضوء. فقد اضطرت العديد من الأنظمة السابقة إلى حجب معظم الضوء للحصول على إشارة نظيفة، مما أدى إلى هدر الكثير من البيانات المحتملة. في المقابل، يعمل هذا المصدر الجديد عبر طيفه الكامل والواسع، مستخدماً فقط مرشحاً بسيطاً لحجب ضوء الليزر الأصلي. وهذا يعني أن النظام أكثر كفاءة وقادراً على التعامل مع مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية. كما استكشف الفريق ما يحدث عندما يرفعون سطوع المصدر لتوليد المزيد من الفوتونات. ووجدوا أنه بينما ظل النظام قوياً، بدأت الطرق القياسية لحساب جودة التشابك في الانهيار عند السرعات العالية جداً. فعندما يتم إنشاء الكثير من الأزواج في وقت واحد، تبدأ المصادفات العشوائية في الظهور كأنها تشابك حقيقي، مما يؤدي إلى درجات مرتفقة مضللة إذا لم يتم حسابها بعناية. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على حد عملي لتقنيات القياس الحالية ويشير إلى الحاجة لأساليب جديدة مع أن تصبح هذه الأنظمة أكثر سطوعاً.

قام الباحثون أيضاً بإعادة بناء الحالة الكمومية الكاملة للضوء لمعرفة كيف تقارن بالزوج المتشابك المثالي. ووجدوا أن البيانات الخام أظهرت دقة (fidelity) بلغت 78.1 بالمائة، مما يعني أن الضوء كان قريباً جداً من الحالة المثالية، وإن لم يكن مثالياً تماماً. ومن خلال التعديل الرياضي لتدويرات الاستقطاب الصغيرة الناتجة عن كابلات الألياف نفسها، تمكنوا من إظهار أن الجودة الأساسية للتشابك كانت في الواقع أعلى بكثير، حيث وصلت إلى 85.6 بالمائة. وهذا يؤكد أن العيوب لم تكن بسبب فشل في عملية التشابك نفسها، بل كانت ناتجة عن عيوب ميكانيكية وبصرية طفيفة في الإعداد يمكن تصحيحها. لقد تم بناء النظام بأكمله باستخدام مكونات تجارية جاهزة، مما يثبت أن مصادر الكم عالية الأداء لا تتطلب معدات مختبرية غريبة أو مصممة خصيصاً.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في جعل التكنولوجيا الكمومية عملية وقابلة للتوسع. فمن خلال إثبات وجود مصدر مدمج بالكامل في الألياف الضوئية، ويعمل عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية، ويحافظ على تشابك عالي الجودة دون عمليات ترشيح معقدة، قدم الباحثون مخططاً للشبكات الكمومية المستقبلية. إن القدرة على توليد الفوتونات المتشابكة بكفاءة عبر طيف واسع تعني أن هذه الشبكات يمكنها حمل معلومات أكثر بكثير من الأنظمة الحالية، مما يمهد الطريق لعصر جديد من الاتصالات الآمنة والاستشعار المتقدم. وتشير النتائج إلى أن المسار نحو إنترنت كمومي عالمي أصبح أكثر وضوحاً، مع مكونات موثوقة، ومتاحة تجارياً، وجاهزة للنشر في البنية التحتية الواقعية.