A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

لبناء مستقبل تنتقل فيه المعلومات فوراً وبأمان عبر العالم، يحتاج العلماء إلى وسيلة لإيقاف الضوء مؤقتاً. في العالم الكمومي، غالباً ما تُحمل المعلومات بواسطة جسيمات فردية من الضوء، لكن هذه الجسيمات تتحرك بسرعة الضوء وتتلاشى إذا اصطدمت بأي شيء. لمعالجة هذه البيانات أو إرسالها عبر مسافات طويلة، يحتاج الباحثون إلى "ذاكرة" يمكنها التقاط الفوتون الطائر، وإبقائه ساكناً للحظة، ثم إطلاقه تماماً كما كان. لا يتعلق الأمر بمجرد حفظ ملف؛ بل يتعلق بالحفاظ على الأنماط الدقيقة وغير المرئية للحالات الكمومية التي تجعل تقنيات مثل الاتصالات غير القابلة للاختراق والاستشعار فائق الدقة أمراً ممكناً. ويتمثل التحدي في العثور على مادة يمكنها التقاط هذه الجسيمات العابرة دون تدمير طبيعتها الكمومية، مع كونها سريعة بما يكفي للتعامل مع الوتيرة المتسارعة للبيانات الحديثة.

اقترح فريق من الباحثين طريقة جديدة لحل هذه المشكلة باستخدام قطعة صلبة من الزجاج أو الكريستال تعمل كطريق سريع مستمر لكل من الضوء والصوت. وبدلاً من محاولة حبس الضوء في صندوق صغير ومعزول، مما يحد من كمية المعلومات التي يمكن تخزينها في وقت واحد، يستخدم نهجهم موجهاً موجياً طويلاً ونحيفاً حيث يسافر الضوء وموجات الصوت معاً. في هذا النظام، يعمل نبض من ضوء الليزر كجسر، حيث يحول الفوتون المسافر إلى موجة صوتية مسافرة، تُعرف باسم "الفونون"، ثم يعيدها مرة أخرى. تعتمد هذه العملية على تفاعل محدد يسمى "تشتت بريلوين"، حيث يتم تبادل طاقة الفوتون مع طاقة الموجة الصوتية. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال ضبط توقيت هذه التفاعات بعناية، يمكنهم رسم خريطة لحالة كمومية من الضوء على الصوت، وتركها هناك لفترة قصيرة، ثم استعادتها كضوء مرة أخرى، وكل ذلك دون الحاجة إلى درجات الحرارة القصوى القريبة من الصفر المطلق التي تتطلبها عادةً مثل هذه الأعمال الدقيقة.

جوهر هذا الاقتراح هو عملية مكونة من خطوتين تعمل كمفتاح قابل للعكس. أولاً، يدخل نبض قوي من ضوء الليزر إلى الموجه الموجي ويلتقي بإشارة ضعيفة تحمل المعلومات الكمومية. هذا التفاعل يجبر الإشارة على التحول إلى موجة صوتية تنتقل عبر المادة. تصبح الإشارة الآن مخزنة كاهتزاز داخل الوسط الصلب. وبعد تأخير قابل للبرمجة، تصل نبضة ليزر ثانية لتعكس العملية، محولة الموجة الصوتية مرة أخرى إلى نبضة ضوئية تحمل المعلومات الأصلية. ولأن النظام يستخدم موجات مسافرة بدلاً من الجسيمات المحبوسة في تجويف، فإنه يمكنه التعامل مع نطاق واسع جداً من الترددات في وقت واحد. وهذا يعني أن الذاكرة يمكنها تخزين العديد من الإشارات في آن واحد، وهي ميزة حاسمة لتوسيع نطاق الشبكات الكمومية.

استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لاختبار مدى فعالية هذا النظام مع المواد الواقعية. لقد قاموا بنمذجة سلوك موجات الضوء والصوت تحت ظروف مختلفة، بما في ذلك درجات الحرارة ومستويات قوة التفاعل. وتشير نتائجهم إلى أن النظام يمكنه تخزين واستعادة الحالات الكمومية المعقدة، مثل الضوء "المضغوط" حيث يتم تقليل الضوضاء في الإشارة دون الحد القياسي، بدقة عالية جداً. وحتى عند درجات حرارة تبلغ كلفن واحد، وهو درجة واحدة فقط فوق الصفر المطلق ولكنه أدفأ بكثير من درجات حرارة الميلي كلفن المطلوبة غالاً للأجهزة الكمومية، احتفظت الذاكرة بالمعلومات الكمومية بدقة عالية. وأظهرت عمليات المحاكاة أن النظام يمكنه العمل بفعالية لأوقات تخزين تصل إلى عشرات النانو ثانية، وهي مدة كافية لمعالجة البيانات للعديد من التطبيقات المتقدمة.

من النتائج الرئيسية لهذا العمل أن النظام لا يتطلب تبريد الموجات الصوتية إلى أدنى حالة طاقة ممكنة قبل تخزين المعلومات. في العديد من الأنظمة الكمومية، أي حرارة أو اهتزاز متبقٍ في المادة يدمر المعلومات الكمومية الدقيقة. ومع ذلك، ولأن هذا البروتوكول يعتمد على تبادل سريع ومتماسك بين الضوء والصوت، فإن الذاكرة تظل قوية حتى لو لم تكن الموجات الصوتية باردة تماماً. وجد الباحثون أنه طالما كان التفاعل بين الضوء والصوت قوياً بما يكفي، يمكن للنظام التغلب على الضوضاء الحرارية الخلفية. وهذا يشير إلى أن هذه التكنولوجيا قد تكون أسهل في البناء والتشغيل من النهج السابق، لأنها لا تتطلب معدات تبريد شديدة القسوة.

كما استكشفت الدراسة مدى قدرة الذاكرة على الحفاظ على "التشابك"، وهي ظاهرة تظل فيها الجسيمات مرتبطة ببعضها البعض بغض النظر عن المسافة بينهما. في عمليات المحاكاة، تم إرسال نصف زوج متشابك إلى الذاكرة بينما تم الاحتفاظ بالنصف الآخر في الخارج كمرجع. بعد تخزين النصف الأول كموجة صوتية ثم استعادته كضوء، ظل الرابط بين الجسيمين سليماً. وأظهرت عمليات المحంలో أن قوة هذا الاتصال، المعروفة باسم "السلبية" (negativity)، ظلت عالية بما يكفي لتأكيد أن الطبيعة الكمومية للزوج قد حُفظت. وهذا يثبت أن النظام قادر على التعامل مع أكثر أشكال المعلومات الكمومية هشاشة، وليس فقط الإشارات البسيطة.

صُممت الذاكرة المقترحة لتعمل بنطاق ترددي يصل إلى مئات الميجاهرتز، مما يسمح لها بمعالجة كمية كبيرة من البيانات بالتوازي. ويمثل هذا تحسناً كبيراً عن الأنظمة التي تعتمد على أنماط منفصلة ومعزولة، والتي لا يمكنها التعامل إلا مع تردد واحد في كل مرة. ومن خلال استخدام وسط مستمر، أظهر الباحثون أن النظام يمكنه تخزين المعلومات عبر طيف واسع من التردبات في وقت واحد. تفتح هذه القدرة الباب أمام معالجة الإشارات الكمومية متعددة الأنماط، حيث يمكن إدارة العديد من قنوات المعلومات في آن واحد. وأشارت عمليات المحاكاة إلى أنه باستخدام التكنولوجيا الحالية، مثل الموجهات الموجية ذات الخصائص البصرية المحددة، يمكن للنظام تحقيق هذه النتائج باستخدام نبضات ليزر ذات قدرات ذروة يمكن الوصول إليها في المختبر.

بينما تستند النتائج المعروضة إلى نماذج نظرية وعمليات محاكاة، إلا أنها تشير إلى مسار عملي لبناء ذاكرات كمومية قابلة للتوسع. وقد لاحظ الباحثون أنه في التجارب الحقيقية، يمكن تمديد وقت التخزين بشكل أكبر إذا كانت المادة المستخدمة ذات خسائر ميكانيكية أقل، وهو أمر شائع عند درجات الحرارة المنخفضة. كما سلطوا الضوء على أن قدرة النظام على العمل في درجات حرارة "تحت الكلفن"، بدلاً من تطلب بيئات تبريد عميقة، تجعله مرشحاً أكثر جدوى للاندماج في الشبكات الكمومية المستقبلية. يحدد هذا العمل نوعاً معيناً من الأنظمة البصرية الصوتية (optoacoustic) كمنصة واعدة للجيل القادم من التقنيات الكمومية، مما يوفر طريقة لتخزين ومعالجة المعلومات القائمة على الضوء بالسرعة والسعة والموثوقية.