Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

تخيل عالماً لا تُنقل فيه المعلومات عبر تيارات كهربائية في الأسلاك، بل بواسطة جسيمات فردية من الضوء. هذه الجسيمات، المعروفة باسم الفوتونات، هي الرسل المثاليون لجيل جديد من الإنترنت يَعِد بأمن لا يمكن اختراقه وقدرة حوسبية غير مسبوقة. ومع ذلك، فإن للضوء عيباً قاتلاً: لا يمكن إيقافه. فبمجرد إرسال فوتون عبر كابل من الألياف الضوئية، فإنه يستمر في السفر حتى يُفقد أو يُمتص. لا يمكنه الانتظار. وهذا ما يجعل بناء شبكة عالمية أمراً مستحيلاً، لأن الإشارات تضعف مع المسافة، وبخلاف الإشارة التقليدية التي يمكن نسخها وتعزيزها، لا يمكن نسخ الإشارة الكمومية دون تدمير معلوماتها الدقيقة. ولحل هذه المعضلة، يحتاج العلماء إلى طريقة للإمساك بفوتون طائر، وتثبيته ساكناً، ثم إطلاقه لاحقاً تماماً كما كان. يُسمى هذا الجهاز "الذاكرة الكمومية". وهو يعمل بمثابة زر إيقاف مؤقت للضوء، مما يسمح للشبكة بمزامنة عملياتها وتمديد مداها عبر القارات.

لسنوات طويلة، بحث الباحثون عن المادة المثالية لتكون بمثابة زر الإيقاف المؤقت هذا. كانوا بحاجة إلى شيء صلب، سهل التصنيع، وقادر على الاحتفاظ بالحالة الكمومية لفترة طويلة دون أن تتلاشى. وقد برز مرشح واعد من عالم البلورات: أيونات العناصر الأرضية النادرة. وهي ذرات عناصر مثل الأوروبيوم أو البراسيوديميوم التي تم دمجها داخل شبكة بلورية. والشيء الفريد في هذه الذرات هو أن طبقاتها الخارجية تعمل كدرع، يحمي إلكتروناتها الداخلية من البيئة الصاخبة للبلورة. هذا الحماية تسمح لها بالتمسك بحالتها الكمومية لفترات طويلة بشكل مدهش. ومع ذلك، حتى مع هذا الدرع الطبيعي، لا تزال البيئة تتدخل؛ إذ تتسبب التقلبات الطفيفة في المجالات المغناطيسية، الناتجة عن الحركة العشوائية للذرات في البلورة أو مجال الأرض المغناطيسي نفسه، في بعثرة المعلومات المخزنة واختفائها.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين الآن خطوة كبيرة للأمام في ترويض هذا التداخل. ففي مراجعة شاملة للتجارب الأخيرة، وصفوا كيف تمكن الباحثون من تمديد عمر هذه الذاكرات الكمومية من ثوانٍ إلى دقائق، وفي بعض الحالات، إلى ساعات. ويكمن مفتاح هذا النجاح في استراتيجيتين ذكيتين. أولاً، حددوا شدة مجال مغناطيسي محددة تصبح عندها الذرات محصنة طبيعياً ضد الضجيج المغناطيسي. الأمر يشبه إيجاد الذرات لـ "نقطة مثالية" حيث يلغي الدفع والسحب المغناطسي بعضهما البعض بشكل مثالي. ثانياً، عندما تبدأ الذرات في الانحراف، يطبق الباحثون سلسلة سريعة من نبضات التردد الراديوي. تعمل هذه النبضات مثل دفعة لطيفة، تعيد محاذاة الذرات باستمرار قبل أن تفقد طريقها، مما يؤدي فعلياً إلى تجميد المعلومات في مكانها.

تُقاس نتائج هذا العمل بثلاث طرق متميزة، كل منها يمثل مستوى مختلفاً من الصعوبة. المقياس الأول هو "زمن التماسك المغزلي"، وهو ببساطة المدة التي يمكن للذرات خلالها الحفاظ على محاذاتها الكمومية قبل أن تبدأ في التباعد. وباستخدام بلورات مطعمة بأيونات الأوروبيوم وتطبيق النقطة المغناطيسية المثالية مع نبضات إعادة المحاذاة، حقق الباحثون زمناً قياسياً للتماسك يقارب ست ساعات. وهذا يعني أن الذرات ظلت متزامنة لمدة أطول بكثير من أي تجربة سابقة بهذا النوع من المواد.

المقياس الثاني هو "زمن تخزين الضوء". وهو المدة التي يمكن خلالها التقاط شعاع ضوئي فعلي، وتخزينه كاهتزاز داخل الذرات، ثم إطلاقه مرة أخرى كضوء. في التجارب السابقة باستخدام أيونات البراسيوديميوم، تمكن العلماء من تخزين الضوء لمدة 42 ثانية تقريباً. ومن خلال الانتقال إلى بلورات الأوروبيوم الأكثر استقراراً واستخدام طريقة تخزين مختلفة تعتمد على نمط محدد من مستويات الطاقة الذرية، نجح الببحاث في تمديد هذا الزمن إلى أكثر من 52 دقيقة. لقد أثبتوا أنه يمكن احتجاز نبضة ضوئية لمدة تقارب الساعة ثم استردادها مع بقاء نمط موجتها سليماً، مما يثبت أن المعلومات لم تتعرض للبعثرة.

التحدي الأصعب، والذي يقربنا أكثر من إنترنت كمومي عامل، هو "زمن التخزين الكمومي". يتضمن هذا تخزين ليس فقط شعاعاً ضوئياً ساطعاً، بل جسيماً واحداً من الضوء، أو فوتوناً واحداً. إن تخزين فوتون واحد أمر صعب للغاية لأن العملية يجب أن تكون فعالة وهادئة جداً بحيث لا يتم إضافة أي ضجيج إضافي، وإلا فسيضيع الفوتون الوحيد في وسط الضوضاء. لقد عانت المحاولات السابقة في الحفاظ على فوتون واحد لأكثر من بضعة مللي ثانية. ومع ذلك، من خلال الجمع بين النقطة المغناطيسية المثالية، ونبضات إعادة المحاذاة، وطريقة جديدة تتجنب خلق ضجيج إضافي أثناء عملية التخزين، نجح الباحثون بقيادة "لو" وزملاؤه في تخزين مدخلات بمستوى الفوتون الواحد لأكثر من 27 ثانية. عند هذه المدة، احتفظ الفوتون المخزن بطبيعته الكمومية، مما أثبت أنه لم يكن مجرد إشارة كلاسيكية بل ذاكرة كمومية حقيقية.

إن هذه الإنجازات ليست مجرد معالم نظرية؛ بل تشير إلى مستقبل عملي. ويشير الباحثون إلى أن هذه البلورات متوافقة مع التكنولوجيا الحالية، مما يعني إمكانية دمجها في أجهزة صغيرة. وهذا يفتح الباب أمام "الذاكرات الكمومية القابلة للنقل"، حيث يمكن تحميل جهاز يحتوي على ذاكرة كمومية على شاحنة، أو طائرة بدون طيار، أو قمر صناعي لنقل المعلومات الكمومية بين المدن البعيدة أو حتى عبر الفضاء. إن القدرة على الاحتفاظ بحالة كمومية لمدة ساعة تعني أن المركبة يمكنها السفر لمئات الكيلومترات مع الحفاظ على المعلومات آمنة، مما يسد الفجوات التي لا تستطيع كابلات الألياف الضوئية عبورها. وبينما لا تزال هناك تحديات، مثل تحسين كفاءة التقاط الضوء وتصغير حجم المعدات، فإن هذا العمل يثبت أن الذاكرات الكمومية الصلبة طويلة الأمد لم تعد حلماً بعيد المنال، بل واقعاً ملموساً.