طور الباحثون في معهد نيلز بور بجامعة كوبنهاجن طريقة جديدة لإنشاء ذاكرة كمومية: يمكن لأسطوانة صغيرة تخزين البيانات المرسلة مع الضوء في اهتزازاتها الصوتية، ثم إعادة توجيه البيانات بمصادر ضوء جديدة عند الحاجة إليها مرة أخرى. تظهر النتائج أن الذاكرة الميكانيكية للبيانات الكمومية يمكن أن تكون الإستراتيجية التي تمهد الطريق لإنترنت فائق الأمان بسرعات مذهلة.
وقد تم نشر البحث في مجلة استعراض للحروف البدنية.
أسفل مكتب نيلز بور القديم مباشرة يوجد قبو حيث الطاولات المتناثرة مغطاة بمرايا صغيرة وأشعة ليزر ومجموعة من جميع أنواع الأجهزة المتصلة بواسطة شبكات من الأسلاك وأكوام من الأشرطة. يبدو أن مشروع الطفل قد ذهب إلى أبعد من اللازم، وهو مشروع حاول آباؤهم عبثًا حملهم على تنظيفه.
وفي حين أنه من الصعب على العين غير المدربة أن تدرك أن هذه الجداول هي في الواقع موطن لمجموعة من المشاريع البحثية الرائدة على مستوى العالم، فإن الأشياء المهمة تحدث في عوالم صغيرة جدًا بحيث لا تنطبق عليها حتى قوانين نيوتن. هذا هو المكان الذي يقوم فيه ورثة نيلز بور الفيزيائيون الكميون بتطوير أحدث التقنيات الكمومية.
يبرز أحد هذه المشاريع -بالنسبة للفيزيائيين على الأقل- بحقيقة أن الأداة المرئية بالعين المجردة قادرة على تحقيق الحالات الكمومية. الأسطوانة الكمومية عبارة عن غشاء صغير مصنوع من مادة سيراميكية تشبه الزجاج مع ثقوب منتشرة بنمط أنيق على طول حوافها.
عندما يتم ضرب الطبلة بضوء الليزر، فإنها تبدأ في الاهتزاز، وتقوم بذلك بسرعة كبيرة ودون تدخل، حيث تلعب ميكانيكا الكم دورًا. وقد أحدثت هذه الخاصية ضجة منذ فترة طويلة من خلال فتح عدد من الإمكانيات التكنولوجية الكمومية.
الآن، أظهر التعاون عبر مختلف المجالات الكمومية في المعهد أن الطبلة يمكن أن تلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في شبكة المستقبل من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. مثل الكيميائيين المعاصرين، ابتكر الباحثون شكلاً جديدًا من "الذاكرة الكمومية" عن طريق تحويل الإشارات الضوئية إلى اهتزازات صوتية.
في مقالتهم البحثية المنشورة للتو، أثبت الباحثون أن البيانات الكمومية الصادرة عن كمبيوتر كمي تنبعث كإشارات ضوئية - على سبيل المثال، من خلال نوع كابل الألياف الضوئية المستخدم بالفعل لاتصالات الإنترنت عالية السرعة - يمكن تخزينها كاهتزازات في طبل ومن ثم إحالتها.
وقد أظهرت التجارب السابقة للباحثين أن الغشاء يمكن أن يبقى في حالة كمومية هشة. وعلى هذا الأساس، يعتقدون أن الأسطوانة يجب أن تكون قادرة على استقبال ونقل البيانات الكمومية دون "فك الترابط"، أي فقدان حالتها الكمومية عندما تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية جاهزة.
"هذا يفتح آفاقًا رائعة لليوم الذي تستطيع فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية فعل ما نتوقعه منها. من المرجح أن تكون الذاكرة الكمومية أساسية لإرسال المعلومات الكمومية عبر المسافات. يقول مادس بيريغارد كريستنسن، باحث ما بعد الدكتوراه من معهد نيلز بور، والمؤلف الرئيسي للمقال البحثي الجديد: "إن ما قمنا بتطويره هو جزء مهم من الأساس لإنترنت المستقبل مع السرعة الكمومية والأمن الكمي".
سريع للغاية وآمن للغاية
عند نقل المعلومات بين جهازي كمبيوتر كمومي عبر مسافة - أو بين العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية في شبكة الإنترنت الكمومية - سيتم حجب الإشارة بسرعة بسبب الضوضاء. تزداد كمية الضوضاء في كابل الألياف الضوئية بشكل كبير كلما زاد طول الكابل. في نهاية المطاف، لم يعد من الممكن فك تشفير البيانات.
تعمل شبكة الإنترنت الكلاسيكية وشبكات الكمبيوتر الرئيسية الأخرى على حل مشكلة الضوضاء هذه عن طريق تضخيم الإشارات في المحطات الصغيرة على طول طرق الإرسال. ولكن لكي تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من تطبيق طريقة مماثلة، يجب عليها أولاً ترجمة البيانات إلى أنظمة أرقام ثنائية عادية، مثل تلك التي يستخدمها جهاز كمبيوتر عادي.
هذا لن يجدي نفعاً. سيؤدي القيام بذلك إلى إبطاء الشبكة وجعلها عرضة للهجمات الإلكترونية، حيث أن احتمالات فعالية حماية البيانات الكلاسيكية في مستقبل الكمبيوتر الكمي سيئة للغاية.
"بدلاً من ذلك، نأمل أن يتمكن الطبل الكمي من تولي هذه المهمة. لقد أظهر وعدًا كبيرًا لأنه مناسب تمامًا لاستقبال وإعادة إرسال الإشارات من الكمبيوتر الكمي. يقول كريستنسن: "لذا، فإن الهدف هو توسيع الاتصال بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية من خلال محطات حيث تستقبل الطبول الكمومية الإشارات وتعيد إرسالها، وبذلك يتم تجنب الضوضاء مع الاحتفاظ بالبيانات في حالة كمومية".
"وبالقيام بذلك، فإن سرعات ومزايا أجهزة الكمبيوتر الكمومية، على سبيل المثال، فيما يتعلق ببعض الحسابات المعقدة، سوف تمتد عبر الشبكات والإنترنت، حيث سيتم تحقيقها من خلال استغلال خصائص مثل التراكب والتشابك التي تنفرد بها الحالات الكمومية."
وفي حالة نجاحها، ستكون المحطات أيضًا قادرة على تمديد الاتصالات الكمومية الآمنة، والتي يمكن أيضًا إطالة أكوادها الكمومية بواسطة الأسطوانة. ويمكن إرسال هذه الإشارات الآمنة عبر مسافات مختلفة - سواء حول شبكة كمومية أو عبر المحيط الأطلسي - في الإنترنت الكمومي في المستقبل.
مرنة وعملية وربما رائدة مثل ذاكرة الوصول العشوائي الكمومية
يتم إجراء الأبحاث في مكان آخر لإيجاد بديل حيث يتم توجيه مصدر الضوء الحامل للبيانات إلى النظام الذري ويقوم بإزاحة الإلكترونات الموجودة في الذرة بشكل مؤقت، ولكن الطريقة لها حدودها.
"هناك حدود لما يمكنك فعله بالنظام الذري، لأننا لا نستطيع تصميم الذرات أو تردد الضوء الذي يمكنها التفاعل معه. يوفر نظامنا الميكانيكي "الكبير" نسبيًا مزيدًا من المرونة. يوضح البروفيسور ألبرت شليسر، المؤلف المشارك للمقال البحثي: "يمكننا إجراء تعديلات وتعديلات، بحيث إذا غيرت الاكتشافات الجديدة قواعد اللعبة، فهناك فرصة جيدة لتكييف الطبل الكمي".
ويشير إلى أنه "سواء كان ذلك للأفضل أو للأسوأ، فإن قدراتنا كباحثين هي في الغالب ما يحدد حدود مدى نجاح كل شيء".
تعتبر الأسطوانة أحدث وأخطر طريقة في الذاكرة الكمومية الميكانيكية لأنها تجمع بين عدد من الخصائص: تتميز الأسطوانة بفقدان منخفض للإشارة، أي يتم الاحتفاظ بقوة إشارة البيانات بشكل جيد. كما يتمتع بميزة هائلة تتمثل في قدرته على التعامل مع جميع ترددات الضوء، بما في ذلك التردد المستخدم في كابلات الألياف الضوئية الضوئية التي بُني عليها الإنترنت الحديث.
تعتبر الطبلة الكمومية أيضًا ملائمة لأنه يمكن تخزين البيانات وقراءتها عند الحاجة. والوقت القياسي الذي حققه الباحثون والذي يبلغ 23 مللي ثانية من الذاكرة يجعل من الأرجح أن التكنلوجيا قد تصبح يومًا ما لبنة بناء لأنظمة الشبكات الكمومية وكذلك الأجهزة الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
"لقد خرجنا مبكرًا بهذا البحث. لا تزال الحوسبة الكمومية والاتصالات في مرحلة مبكرة من التطوير، ولكن مع الذاكرة التي حصلنا عليها، يمكن للمرء أن يتكهن بأن الأسطوانة الكمومية سيتم استخدامها يومًا ما كنوع من ذاكرة الوصول العشوائي الكمومية، نوع من الذاكرة العاملة المؤقتة للمعلومات الكمومية. . يقول البروفيسور: "سيكون ذلك رائدًا".