تمكن الباحثون من إنتاج وتخزين واسترجاع المعلومات الكمومية لأول مرة، وهي خطوة حاسمة في الشبكات الكمومية.
تعد القدرة على مشاركة المعلومات الكمومية أمرًا بالغ الأهمية لتطوير الشبكات الكمومية للحوسبة الموزعة والاتصالات الآمنة. ستكون الحوسبة الكمومية مفيدة في حل بعض أنواع المشكلات المهمة، مثل تحسين المخاطر المالية، وفك تشفير البيانات، وتصميم الجزيئات، ودراسة خصائص المواد.
ومع ذلك، فإن هذا التطور معطل لأن المعلومات الكمومية يمكن أن تُفقد عند نقلها عبر مسافات طويلة. إحدى طرق التغلب على هذا الحاجز هي تقسيم الشبكة إلى أجزاء أصغر وربطها جميعًا بحالة كمومية مشتركة.
للقيام بذلك يتطلب وسيلة لتخزين المعلومات الكمومية واسترجاعها مرة أخرى: أي جهاز ذاكرة كمومية. يجب أن "يتحدث" هذا إلى جهاز آخر يسمح بإنشاء معلومات كمومية في المقام الأول.
ولأول مرة، أنشأ الباحثون مثل هذا النظام الذي يربط بين هذين المكونين الرئيسيين ويستخدم الألياف الضوئية العادية لنقل البيانات الكمومية.
تم تحقيق هذا الإنجاز من قبل باحثين في إمبريال كوليدج لندن، وجامعة ساوثهامبتون، وجامعتي شتوتغارت وفورتسبورج في ألمانيا، ونشرت النتائج في مجلة علم السلف.
وقالت المؤلفة المشاركة الأولى، الدكتورة سارة توماس، من قسم الفيزياء في إمبريال كوليدج لندن: "إن ربط جهازين رئيسيين معًا يعد خطوة حاسمة إلى الأمام في السماح بالشبكات الكمومية، ونحن متحمسون حقًا لأن نكون أول فريق يقوم بذلك". قادر على إثبات ذلك."
وأضاف المؤلف الأول المشارك لوكاس فاغنر، من جامعة شتوتغارت، أن “السماح للمواقع البعيدة، وحتى لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، بالاتصال يعد مهمة حاسمة للشبكات الكمومية المستقبلية”.
الاتصالات لمسافات طويلة
في وسائل الاتصالات العادية، مثل الإنترنت أو خطوط الهاتف، يمكن فقدان المعلومات عبر مسافات كبيرة. ولمكافحة ذلك، تستخدم هذه الأنظمة "مكررات" في نقاط منتظمة، والتي تقرأ الإشارة وتعيد تضخيمها، مما يضمن وصولها إلى وجهتها سليمة.
ومع ذلك، لا يمكن استخدام المكررات الكلاسيكية مع المعلومات الكمومية، لأن أي محاولة لقراءة المعلومات ونسخها ستؤدي إلى تدميرها. وهذه ميزة من ناحية، حيث لا يمكن "استغلال" الاتصالات الكمومية دون تدمير المعلومات وتنبيه المستخدمين. ومع ذلك، فإنه يمثل تحديًا يجب معالجته بالنسبة للشبكات الكمومية بعيدة المدى.
إحدى طرق التغلب على هذه المشكلة هي مشاركة المعلومات الكمومية على شكل جسيمات متشابكة من الضوء أو الفوتونات. تتشارك الفوتونات المتشابكة في خصائصها بحيث لا يمكنك فهم أحدهما دون الآخر. لمشاركة التشابك عبر مسافات طويلة عبر شبكة كمومية، تحتاج إلى جهازين: أحدهما لإنشاء الفوتونات المتشابكة والآخر لتخزينها والسماح باسترجاعها لاحقًا.
هناك العديد من الأجهزة المستخدمة لإنشاء معلومات كمومية على شكل فوتونات متشابكة وتخزينها، لكن توليد هذه الفوتونات عند الطلب وامتلاك ذاكرة كمومية متوافقة لتخزينها فيها، استعصى على الباحثين لفترة طويلة.
تمتلك الفوتونات أطوال موجية معينة (والتي تنتج ألوانًا مختلفة في الضوء المرئي)، ولكن غالبًا ما يتم ضبط الأجهزة المستخدمة في إنشائها وتخزينها للعمل بأطوال موجية مختلفة، مما يمنعها من التفاعل.
ولجعل واجهة الأجهزة، أنشأ الفريق نظامًا يستخدم فيه كلا الجهازين نفس الطول الموجي. أنتجت "النقطة الكمومية" فوتونات (غير متشابكة)، والتي تم تمريرها بعد ذلك إلى نظام الذاكرة الكمومية الذي قام بتخزين الفوتونات داخل سحابة من ذرات الروبيديوم. يقوم الليزر بتشغيل وإيقاف الذاكرة، مما يسمح بتخزين الفوتونات وإطلاقها عند الطلب.
لم يتطابق الطول الموجي لهذين الجهازين فحسب، بل إنه بنفس الطول الموجي لشبكات الاتصالات المستخدمة اليوم، مما يسمح بنقله باستخدام كابلات الألياف الضوئية العادية المألوفة في اتصالات الإنترنت اليومية.
التعاون الأوروبي
تم إنشاء مصدر ضوء النقطة الكمومية من قبل باحثين في جامعة شتوتغارت بدعم من جامعة فورتسبورغ ثم تم إحضاره إلى المملكة المتحدة للتفاعل مع جهاز الذاكرة الكمومية الذي أنشأه فريق إمبريال وساوثهامبتون. تم تجميع النظام في مختبر بالطابق السفلي في إمبريال كوليدج لندن.
في حين تم إنشاء نقاط كمومية مستقلة وذاكرات كمومية أكثر كفاءة من النظام الجديد، فإن هذا هو أول دليل على أنه يمكن تصنيع الأجهزة للتفاعل في أطوال موجات الاتصالات.
سيتطلع الفريق الآن إلى تحسين النظام، بما في ذلك التأكد من إنتاج جميع الفوتونات بنفس الطول الموجي، وتحسين المدة التي يمكن تخزين الفوتونات فيها، وجعل النظام بأكمله أصغر.
ومع ذلك، كدليل على المفهوم، فهذه خطوة مهمة إلى الأمام، كما يقول المؤلف المشارك الدكتور باتريك ليدينجهام من جامعة ساوثهامبتون. "لقد حاول أعضاء المجتمع الكمي بنشاط هذا الارتباط لبعض الوقت. وهذا يشملنا، بعد أن جربنا هذه التجربة مرتين من قبل باستخدام أجهزة مختلفة للذاكرة والنقاط الكمومية، يعود تاريخها إلى أكثر من خمس سنوات، وهو ما يوضح مدى صعوبة القيام بذلك.
"كان الاختراق هذه المرة هو جمع الخبراء لتطوير وتشغيل كل جزء من التجربة باستخدام معدات متخصصة والعمل معًا لمزامنة الأجهزة."