Performance of a Hot Rb Vapour-Based Portable Quantum Memory

قد يعتمد مستقبل الإنترنت على جهاز يمكنه التقاط جسيم واحد من الضوء، وإبقائه ساكناً للحظة، ثم إطلاقه مرة أخرى دون كسر بنيته. تعتمد شبكتنا العالمية اليوم على كابلات الألياف الضوئية التي تنقل المعلومات في شكل نبضات ضوئية، ولكن مع انتقال هذه الإشارات، فإنها تخبو وتضعف. في العالم الكلاسيكي، يحل المهندسون هذه المشكلة باستخدام مضخمات لتعزيز الإشارة، لكن قواعد الفيزياء الكمومية تمنع ذلك. فبسبب قانون أساسي يمنع النسخ المثالي للحالات الكمومية المجهولة، لا يمكن تضخيم هذه الإشارات الهشة دون تدمير المعلومات التي تحملها. ولبناء إنترنت كمومي يعمل عبر مسافات طويلة، يجب على العلماء بدلاً من ذلك استخدام "المكررات" (repeaters) التي تعمل كمحطات تقوية. وتحتاج هذه المحطات إلى نوع خاص من الذاكرة القادرة على تخزين الحالة الكمومية مؤقتاً، بانتظار جاهزية الرابط التالي في السلسلة، ثم إطلاق المعلومات عند الطلب. ويكمن التحدي في بناء هذه الذواكر بحيث تكون صغيرة، ومتينة، ويمكنها العمل دون الحاجة إلى برودة شديدة أو كميات هائلة من الطاقة، مما يجعلها مناسبة للنشر في العالم الحقيقي.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون إلى اختبار جهاز تجاري محمول مصمم لهذا الغرض تحديداً. فقد استقصى الفريق، الذي عمل على نظام يعتمد على بخار الروبيديوم الدافئ، مدى جودة قدرة هذه "الذاكرة الكمومية" على تخزين ونقل النبضات الضوئية تحت ظروف مختلفة. يستخدم الجهاز سحابة من ذرات الروبيديوم، المسخنة إلى درجات حرارة يمكن التحكم بها بسهولة، لاحتجاز الضوء. ومن خلال ضبط درجة حرارة البخار وتوقيت النبضات الضوئية بدقة، قاس الباحثون ثلاثة مقاييس أداء حاسمة: المدة التي يمكن للذاكرة أن تحتفظ فيها بالضوء قبل أن يتلاشى، ومدى كفاءة استرجاع الإشارة المخزنة، ومدى وضوح تمييز الإشارة عن الضوضاء الخلفية. كما قاموا بحساب معدل الخطأ، الذي يقيس عدد المرات التي قد يسيء فيها النظام تفسير البيانات. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كانت هذه التكنولوجيا المحمولة يمكن أن تلبي المعايير الصارمة المتبعة بالفعل في شبكات الألياف الضوئية الكلاسيكية التي تشغل إنترنتنا الحالي.

ركز الباحثون على نوع محدد من التفاعل يسمى "الشفافية المستحثة كهرومغناطيسياً". وببساطة، هذه عملية يتم فيها استخدام شعاعين من الليزر لجعل سحابة من الذرات، تكون معتمة في الأصل، تصبح شفافة لنبضة ضوئية محددة. يعمل أحد الشعاعين كشعاع تحكم، بينما يحمل الآخر المعلومات. عندما يكون شعاع التحكم نشطاً، تسمح الذرات لشعاع المعلومات بالمرور. ومن خلال إيقاف تشغيل شعاع التحكم أثناء وجود نبضة المعلومات داخل السحابة، يتم إيقاف الضوء فعلياً وتخزينه كنمط من الاستثارات الذرية. ولاسترجاع المعلومات، يتم إعادة تشغيل شعاع التحكم، مما يؤدي إلى إطلاق نبضة الضوء. اختبر الفريق هذه العملية باستخدام نظام تجاري قابل للتركيب في الرفوف (rack-mountable) مملوء بغاز الروبيديوم، مع تسخين الخلية إلى درجات حرارة متفاوتة بين 60 و90 درجة مئوية. وقد أرسلوا نبضات ضوئية وقاسوا مقدار الإشارة الأصلية التي عادت بعد فترات تخزين مختلفة، تراوحت من بضعة ميكروثوانٍ إلى عدة مئات.

كشفت النتائج عن توازن دقيق بين درجة الحرارة والأداء. فكلما زاد الباحثون من درجة حرارة البخار، تحركت الذرات بشكل أسرع. وبينما أدى ذلك إلى زيادة عدد الذرات المتاحة للتفاعل مع الضوء، إلا أنه تسبب أيضاً في زيادة الضوضاء وجعل المعلومات المخزنة تتلاشى بسرعة أكبر. ووجدت الدراسة أن الذاكرة يمكنها الاحتفاظ بالضو দ্রুত لأطول مدة عند أدنى درجة حرارة تم اختبارها، وهي 60 درجة مئوية، حيث ظلت الإشارة متماسكة لمدة تقارب 278 ميكروثانية. ومع ذلك، لم تتبع كفاءة النظام — أي نسبة الضوء الأصلي الذي تم استرجاعه بنجاح — نفس النمط؛ إذ قدم النظام أفضل أداء عند 70 درجة مئوية، حيث استرجع أعلى نسبة مئوية من الضوء المخزن. وعندما نظر الباحثون إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وهي مقي�تون لمدى نقاء الإشارة المسترجعة مقارنة بالضجيج الخلفي، وجدوا أفضل أداء عند أعلى درجة حرارة وهي 90 درجة مئوية.

ولعل الأمر الأكثر أهمية هو أن الفريق ترجم هذه القياسات الفيزيائية إلى لغة الاتصالات القياسية. فقد حسبوا معدل خطأ البتات، الذي يخبرنا بعدد الأخطاء التي قد يرتكبها النظام إذا كان يرسل بيانات رقمية. ولكي يكون النظام مفيداً في شبكة حقيقية، يجب أن يكون معدل الخطأ هذا منخفضاً للغاية. وأظهرت الدراسة أنه عند درجات حرارة فوق 60 درجة مئوية ولأوقات تخزين تصل إلى 50 ميكروثانية، أنتج الجهاز معدلات خطأ أقل بكثير من العتبة المطلوبة لشبكات الاتصالات الحديثة. وفي الواقع، بالنسبة لأوقات التخزين القصيرة، حقق النظام معدلات خطأ أقل من واحد في عشرة مليارات، وهو مستوى من الموثوقية يطابق معايير الإنترنت الكلاسيكي الحالي. وأشار الباحثون إلى أنه على الرغم من أن النظام يعمل عند طول موجي قدره 795 نانومتر، وهو ليس المعيار المعتمد للألياف الضوئية طويلة المدى، إلا أنه يمكن تكييف هذه التكنولوجيا للعمل مع البنية التحتية القائمة من خلال تقنيات تحويل الطول الموجي.

يشير هذا العمل إلى أن الذواكر الكمومية المحمولة القائمة على أبخرة ذرية دافئة ليست مجرد مفاهيم نظرية، بل إنها تقترب من مستويات الأداء اللازمة للاستخدام العملي. لم تجد الدراسة درجة حرارة "مثالية" واحدة لجميع المهام؛ وبدلاً من ذلك، حددت نافذة تشغيل يمكن من خلالها تلبية أهداف أداء مختلفة. فإذا كانت الأولوية هي الاحتفاظ بالإشارة لأطول فترة ممكنة، فإن درجة الحرارة الأقل هي الأفضل. أما إذا كان الهدف هو استرجاع الإشارة بأعلى كفاءة أو بجودة أنقى، فإن درجات الحرارة الأكثر دفئاً هي المفضلة. وهذا النوع من المرونة يعد خطوة حاسمة للأمام، مما يشير إلى أن هذه الأجهزة يمكن ضبطها لتناسب الاحتياجات المحددة للشبكة الكمومية. ومن خلال إثبات أن نظاماً محمولاً يعتمد على البخار الدافئ يمكنه تلبية المعايير الصارمة للاتصالات الكلاسيكية، قدم الباحثون مساراً واضحاً نحو دمج الذاكرة الكمومية في إنترنت المستقبل، مما يسد الفجوة بين الحالات الكمومية الهشة والشبكات القوية التي تربط عالمنا.