جمع الباحثون في معهد الحوسبة الكمومية (IQC) بجامعة واترلو بين مفهومين بحثيين حائزين على جائزة نوبل لتطوير مجال الاتصال الكمي.
يمكن للعلماء الآن إنتاج أزواج فوتونات متشابكة مثالية تقريبًا بكفاءة من مصادر النقاط الكمومية. تم نشر البحث بعنوان "حالة الجرس الضوئية المتأرجحة من نقطة كمومية شبه موصلة لتوزيع المفتاح الكمي" في فيزياء الاتصالات
والفوتونات المتشابكة هي جزيئات من الضوء تظل متصلة، حتى عبر مسافات كبيرة، وقد اعترفت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022 بالتجارب في هذا الموضوع. الجمع بين التشابك مع النقاط الكمومية، أ التكنلوجيا حصل فريق بحث IQC على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2023، ويهدف إلى تحسين عملية إنشاء الفوتونات المتشابكة، والتي لها مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الاتصالات الآمنة.
قال الدكتور: "هناك حاجة إلى الجمع بين درجة عالية من التشابك والكفاءة العالية للتطبيقات المثيرة مثل توزيع المفاتيح الكمومية أو المكررات الكمومية، والتي من المتوقع أن توسع مسافة الاتصال الكمي الآمن إلى نطاق عالمي أو ربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية عن بعد". مايكل رايمر، أستاذ في IQC وقسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة واترلو.
"لقد قامت التجارب السابقة بقياس التشابك شبه المثالي أو الكفاءة العالية فقط، ولكننا أول من حقق كلا الشرطين باستخدام النقطة الكمومية."
من خلال دمج النقاط الكمومية لأشباه الموصلات في سلك نانوي، أنشأ الباحثون مصدرًا ينتج فوتونات متشابكة شبه مثالية بكفاءة أكبر بـ 65 مرة من العمل السابق.
يمكن تحفيز هذا المصدر الجديد، الذي تم تطويره بالتعاون مع مجلس البحوث الوطني الكندي في أوتاوا، باستخدام أشعة الليزر لتوليد أزواج متشابكة عند الطلب. استخدم الباحثون بعد ذلك كاشفات فوتون مفردة عالية الدقة مقدمة من شركة Single Quantum في هولندا لتعزيز درجة التشابك.
"تاريخيًا، كانت أنظمة النقاط الكمومية تعاني من مشكلة تسمى تقسيم البنية الدقيقة، والتي تتسبب في تأرجح الحالة المتشابكة بمرور الوقت. وقال ماتيو بيناكيتي، الحاصل على دكتوراه: "هذا يعني أن القياسات المأخوذة باستخدام نظام كشف بطيء ستمنع قياس التشابك". طالب في IQC وقسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في واترلو.
"لقد تغلبنا على هذا من خلال الجمع بين نقاطنا الكمومية ونظام كشف سريع ودقيق للغاية. يمكننا بشكل أساسي أن نأخذ طابعًا زمنيًا لما تبدو عليه حالة التشابك عند كل نقطة أثناء التذبذبات، وهذا هو المكان الذي لدينا فيه التشابك المثالي.
ولعرض تطبيقات الاتصالات المستقبلية، عمل رايمر وبيناكيتي مع الدكتور نوربرت لوتكينهاوس والدكتور توماس جينيوين، وكلاهما من أعضاء هيئة التدريس في IQC والأساتذة في قسم الفيزياء وعلم الفلك في واترلو، وفرقهم.
وباستخدام مصدر تشابك النقاط الكمومية الجديد، قام الباحثون بمحاكاة طريقة اتصالات آمنة تُعرف باسم توزيع المفتاح الكمي، مما يثبت أن مصدر النقطة الكمومية يحمل وعدًا كبيرًا في مستقبل الاتصالات الكمومية الآمنة.