نجح الباحثون في جامعة شتوتغارت في نقل الحالات الكمومية بين الفوتونات من مصدرين ضوئيين بعيدين، مما يمثل تقدمًا محوريًا نحو المكررات الكمومية العملية.

لا تزال الحياة على الإنترنت عرضة للخطر، حيث يتمكن مجرمو الإنترنت من الوصول إلى الحسابات المالية أو انتحال شخصية الأفراد بسهولة متزايدة. لقد مكّن ظهور الذكاء الاصطناعي المهاجمين من تنفيذ عمليات اقتحام أكثر تعقيدًا واستهدافًا.

يظهر التشفير الكمي كحل ممكن. يستخدم هذا النهج المبادئ الأساسية لفيزياء الكم لحماية المعلومات، مما يجعل من الصعب للغاية على الغرباء اعتراض البيانات دون أن يتم اكتشافهم. ومع ذلك، فإن تطوير التكنولوجيا اللازمة للإنترنت الكمي الوظيفي لا يزال ينطوي على تحديات علمية كبيرة.

أعلن فريق من معهد بصريات أشباه الموصلات والواجهات الوظيفية (IHFG) في جامعة شتوتغارت عن خطوة مهمة للأمام في أحد المكونات الأساسية لمثل هذه الشبكة: “المكرر الكمي”. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في اتصالات الطبيعة.

جزر أشباه الموصلات بحجم نانومتر لنقل المعلومات

يقول البروفيسور بيتر ميشلر، رئيس IHFG ونائب المتحدث باسم مشروع بحث Quantenrepeater.Net (QR.N): “لأول مرة في جميع أنحاء العالم، نجحنا في نقل المعلومات الكمومية بين الفوتونات الناشئة من نقطتين كميتين مختلفتين”.

لفهم أهمية ذلك، من المفيد أن نتذكر كيفية عمل الاتصالات الرقمية. سواء تم إرسال رسالة أو بث فيديو، تنتقل البيانات كتسلسلات من الأصفار والواحدات. يعمل الاتصال الكمي بنفس المفهوم، لكن المعلومات يتم نقلها بواسطة فوتونات فردية. يتم ترميز صفر أو واحد في الفوتوناستقطاب (أي اتجاههم في الاتجاهين الأفقي والرأسي أو في تراكب كلتا الحالتين).

ونظرًا لأن الفوتونات تتصرف وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم، فلا يمكن دائمًا فحص استقطابها دون إزعاجها. وأي محاولة لاعتراض الإشارة تترك أدلة يمكن اكتشافها، مما يجعل الوصول غير المصرح به مرئيًا.

جعل الإنترنت الكمومي جاهزًا للبنية التحتية للألياف الضوئية

هناك عقبة رئيسية أخرى. سيعتمد الإنترنت الكمي العملي على الألياف الضوئية، تمامًا مثل الشبكات الرقمية الحالية. ومع ذلك، يمكن للضوء أن ينتقل مسافة معينة فقط قبل أن يضعف. يجب تحديث إشارات البيانات القياسية كل 50 كيلومترًا تقريبًا باستخدام مضخم ضوئي.

لا يمكن استخدام هذا النهج في التواصل الكمي، حيث لا يمكن نسخ الحالات الكمومية أو تعزيزها بالطريقة المعتادة. بدلًا من ذلك، تقدم فيزياء الكم حلاً مختلفًا: يمكن نقل المعلومات من فوتون إلى آخر طالما لم يتم الكشف عن المعلومات نفسها بشكل مباشر، وهي عملية تعرف باسم النقل الآني الكمي.

المكررات الكمومية كعقد لنقل المعلومات

وبناء على ذلك، يقوم الفيزيائيون بتطوير مكررات كمومية تعمل على تجديد المعلومات الكمومية قبل أن يتم امتصاصها في الألياف الضوئية. يجب أن تكون بمثابة عقد للإنترنت الكمومي. ومع ذلك، هناك عقبات فنية كبيرة.

لنقل المعلومات الكمومية عبر النقل الآني، يجب أن يكون من الصعب تمييز الفوتونات (أي يجب أن يكون لها نفس المظهر الزمني واللون تقريبًا). وهذا أمر صعب للغاية لأنه يتم إنشاؤها في مواقع مختلفة من مصادر مختلفة.

يقول تيم ستروبل، العالم في IHFG والمؤلف الأول للدراسة: “لم يتم نقل الكمات الضوئية من نقاط كمومية مختلفة من قبل أبدًا لأنه أمر صعب للغاية”. كجزء من مشروع QR.N، قام فريقه بتطوير مصادر ضوئية شبه موصلة تولد فوتونات متطابقة تقريبًا.

“في جزر أشباه الموصلات هذه، توجد مستويات طاقة ثابتة معينة، تمامًا كما هو الحال في ذرة“يقول ستروبل. وهذا يسمح بتوليد فوتونات فردية ذات خصائص محددة بضغطة زر واحدة. يقول ستروبل: “لقد طور شركاؤنا في معهد لايبنيز لأبحاث الحالة الصلبة والمواد في دريسدن نقاطًا كمومية تختلف بشكل طفيف فقط”.

وهذا يعني أنه يمكن توليد فوتونات متطابقة تقريبًا في موقعين.

يتم “بث” المعلومات من فوتون إلى آخر

وفي جامعة شتوتغارت، نجح الفريق في نقل حالة الاستقطاب لفوتون ناشئ من نقطة كمومية إلى فوتون آخر من نقطة كمومية ثانية. تولد إحدى النقاط الكمومية فوتونًا واحدًا، بينما تولد الأخرى زوجًا من الفوتون المتشابك.

ويعني “التشابك” أن الجسيمين يشكلان كيانًا كميًا واحدًا، حتى عندما يكونان منفصلين فيزيائيًا. ينتقل أحد الجسيمين إلى النقطة الكمومية الثانية ويتداخل مع الجسيم الضوئي الخاص بها. يتداخل الاثنان.

وبسبب هذا التراكب، يتم نقل معلومات الفوتون المنفرد إلى الشريك البعيد للزوج. من العوامل الأساسية لنجاح التجربة كانت “محولات التردد الكمومية”، التي تعوض فروق التردد المتبقية بين الفوتونات. تم تطوير هذه المحولات من قبل فريق بقيادة البروفيسور كريستوف بيشر، خبير البصريات الكمومية في جامعة سارلاند.

تحسينات للوصول إلى مسافات أكبر بكثير

يقول ميشلر: “إن نقل المعلومات الكمومية بين الفوتونات من نقاط كمومية مختلفة يعد خطوة حاسمة نحو سد مسافات أكبر”.

وفي تجربة شتوتغارت، تم فصل النقاط الكمومية فقط بواسطة ألياف ضوئية يبلغ طولها حوالي 10 أمتار. يقول ستروبل: “لكننا نعمل على تحقيق مسافات أكبر بكثير”.

وفي عمل سابق، أظهر الفريق أن تشابك فوتونات النقاط الكمومية يظل سليمًا حتى بعد انتقالها لمسافة 36 كيلومترًا عبر وسط مدينة شتوتغارت. الهدف الآخر هو زيادة معدل النجاح الحالي للنقل الآني، والذي يبلغ حاليًا ما يزيد قليلاً عن 70%. لا تزال التقلبات في النقطة الكمومية تؤدي إلى اختلافات طفيفة في الفوتونات.

يقول ستروبل: “نريد تقليل ذلك من خلال تطوير تقنيات تصنيع أشباه الموصلات”. يقول الدكتور سيمون لوكا بورتالوبي، قائد المجموعة في IHFG وأحد منسقي الدراسة: “إن تحقيق هذه التجربة كان طموحًا طويل الأمد – وتعكس هذه النتائج سنوات من التفاني والتقدم العلمي”. “من المثير أن نرى كيف أن التجارب التي تركز على الأبحاث الأساسية تتخذ خطواتها الأولى نحو التطبيقات العملية.”

المرجع: “النقل الآني الكمي للطول الموجي للاتصالات باستخدام الفوتونات المحولة بالتردد من النقاط الكمومية البعيدة” بقلم تيم ستروبل، ميشال فيفليكا، إيلينيا نيوريوثر، توبياس باور، مارلون شيفر، ستيفان كازماير، ناند لال شارما، رافائيل جوس، جوناس إتش ويبر، كورنيليوس نوراث، ويجي ني، غاتا بهاياني، كاسبار هوبفمان، كريستوف بيشر، بيتر ميشلر وسيمون لوكا بورتالوبي، 17 نوفمبر 2025، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-65912-8

يتم تمويل البحث في المكررات الكمومية من قبل الوزارة الفيدرالية للأبحاث والتكنولوجيا والفضاء (BMFTR) كجزء من مشروع “Quantenrepeater.Net (QR.N)”.

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