ماذا يحدث عندما يكتسب الضوء أبعادًا إضافية؟

يعمل الضوء الكمي المشكل على تحويل الفوتونات العادية إلى أدوات قوية لمستقبل التكنولوجيا.

نشرت مجموعة عالمية من العلماء، بما في ذلك باحثون من UAB، مراجعة جديدة في الضوئيات الطبيعة استكشاف مجال بحث سريع التطور يسمى الضوء المنظم الكمي. يغير هذا المجال كيفية إرسال المعلومات وقياسها ومعالجتها من خلال الجمع بين فيزياء الكم وأنماط الضوء المصممة بعناية في المكان والزمان. ومن خلال القيام بذلك، يمكن للباحثين إنشاء فوتونات قادرة على حمل معلومات أكثر بكثير من الضوء التقليدي.

من الكيوبتات إلى حالات الكم ذات الأبعاد الأعلى

توضح المراجعة أنه يمكن التحكم في الضوء من خلال عدة خصائص في وقت واحد، بما في ذلك الاستقطاب، والأنماط المكانية، والتردد. ومن خلال التلاعب بهذه الدرجات المختلفة من الحرية، يستطيع العلماء توليد حالات كمومية عالية الأبعاد. في هذه الأنظمة، يتم استبدال الكيوبتات المألوفة (ثنائية الأبعاد، مع فوتونات متراكبة في حالتين كميتين) بالكوديتات (ذات أكثر من بعدين). يؤدي هذا التحول إلى توسيع نطاق إمكانيات التقنيات الكمومية بشكل كبير.

في الاتصالات الكمومية، تعمل هذه الفوتونات عالية الأبعاد على تحسين الأمان لأن كل منها الفوتون يمكن أن تحمل المزيد من المعلومات. كما أنها تتيح إمكانية تشغيل العديد من قنوات الاتصال في نفس الوقت مع تحسين مقاومة الأخطاء وضوضاء الخلفية. ل الحوسبة الكموميةيسمح الضوء المنظم بتصميمات دوائر أبسط وأسرع ويسهل إنشاء الحالات الكمومية المعقدة اللازمة لعمليات المحاكاة المتقدمة.

فرص جديدة في التصوير والقياس

يفتح الضوء المنظم الكمي أيضًا مسارات جديدة في التصوير والمقاييس. ويشير المؤلفون إلى تحسينات كبيرة في تقنيات التحليل، بما في ذلك التطوير الأخير للمجهر الكمي المجسم، والذي يسمح بالحصول على صور لعينات بيولوجية دقيقة. ويدعم هذا النهج أيضًا إنشاء أجهزة استشعار حساسة للغاية تعتمد على الارتباطات الكمية.

إلى جانب التصوير والاستشعار، يمكن استخدام الضوء المنظم لمحاكاة الأنظمة الكمومية المعقدة. يمكن لهذه المحاكاة أن تساعد الباحثين على التنبؤ بكيفية تفاعل الجزيئات داخل الشبكات، وهي قدرة يمكن أن تدعم اكتشاف وتصميم مواد جديدة.

التقدم السريع على مدى عقدين من الزمن

ويقول البروفيسور أندرو فوربس، المؤلف المقابل من جامعة ويتواترسراند في جوهانسبرج، إن هذا المجال تطور بشكل كبير خلال العشرين عامًا الماضية. “إن تصميم الحالات الكمومية، حيث يتم تصميم الضوء الكمي لغرض معين، قد تسارع في الآونة الأخيرة، وبدأ أخيرًا في إظهار إمكاناته الكاملة. قبل عشرين عامًا، كانت مجموعة الأدوات اللازمة لذلك فارغة تقريبًا. اليوم لدينا مصادر على الرقاقة للضوء الكمي المهيكل، وهي مدمجة وفعالة، وقادرة على إنشاء الحالات الكمومية والتحكم فيها.”

وعلى الرغم من هذا التقدم، لا تزال هناك تحديات. وتقول فوربس: “على الرغم من أننا أحرزنا تقدماً مذهلاً، إلا أنه لا تزال هناك قضايا صعبة”. “لا تزال المسافة التي يصلها الضوء المنظم، الكلاسيكي والكمي، منخفضة جدًا، ولكن هذه أيضًا فرصة، تحفز البحث عن درجات أكثر تجريدًا من الحرية للاستغلال.”

من الفضول البحثي إلى التأثير العملي

وفقًا للباحث آدم فاليس من مجموعة البصريات في قسم الفيزياء بجامعة UAB، فقد وصل هذا المجال إلى لحظة حرجة. “نحن عند نقطة تحول: الضوء المهيكل الكمي لم يعد مجرد فضول علمي، بل أداة ذات إمكانات حقيقية لتحويل الاتصالات والحوسبة ومعالجة الصور.” يسلط فاليس الضوء أيضًا على الدور الرائد لـ UAB في هذا المجال من خلال تعاونه مع فوربس، مشيرًا إلى “التقدم ذو التأثير الدولي الكبير، مثل النقل الآني المحفز للمعلومات الكمومية المشفرة بأبعاد عالية، وتصميم تجاويف الليزر لتوليد حالات معقدة عالية النقاء، وفي مجال التشفير، توزيع مفاتيح كمومية قوية في مواجهة العوائق التي تعيق قنوات الاتصال.”

المرجع: “التقدم في الضوء المنظم الكمي” بقلم أندرو فوربس وفضيلة نوثلاولالا وآدم فاليس، 21 نوفمبر 2025، الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-025-01795-x

المراجعة، التي تظهر كمقال غلاف في عدد هذا الشهر من الضوئيات الطبيعةيعكس تعاونًا طويل الأمد بين فاليس ومجموعة أبحاث الضوء المنظمة بقيادة فوربس في كلية الفيزياء بجامعة ويتواترسراند في جوهانسبرج بجنوب إفريقيا. تم دعم هذا العمل أيضًا من قبل أكاديمية كاتالونيا الكم (CQA)، وهي مبادرة تعاونية ينسقها معهد العلوم الضوئية (ICFO) وتروج لها حكومة كاتالونيا. تركز الأكاديمية على تعزيز التعليم وتنمية المواهب في علوم وتقنيات الكم في جميع أنحاء كاتالونيا.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.