اكتشف العلماء كيفية تنقية الضوء، مما يمهد الطريق لتكنولوجيا الكم الأسرع والأكثر أمانًا

اكتشف الباحثون طريقة لتنقية أ الفوتون تيار أساسي للدوائر الكمومية.

جامعة ايوا حدد العلماء طريقة جديدة “لتنقية” الفوتونات، وهو تطور يمكن أن يحسن كفاءة وأمن تقنيات الكم الضوئية.

ركز الفريق على مشكلتين مستمرتين تقفان في طريق إنتاج تدفق موثوق من الفوتونات المفردة، والتي تعتبر ضرورية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية وأنظمة الاتصالات الآمنة. تنشأ المشكلة الأولى، والمعروفة باسم تشتت الليزر، عندما يتم توجيه الليزر نحو نقطة ما ذرة لتحفيز إطلاق الفوتون، الوحدة الأساسية للضوء. على الرغم من أن هذه الطريقة تولد فوتونات بنجاح، إلا أنها يمكنها أيضًا إنتاج فوتونات إضافية غير مرغوب فيها. تقلل هذه الفوتونات الإضافية من كفاءة النظام البصري، على غرار كيفية تداخل التيارات الكهربائية الشاردة مع الدوائر الإلكترونية.

والتعقيد الثاني يأتي من الطريقة التي تستجيب بها الذرات أحيانًا لضوء الليزر. وفي حالات نادرة، تطلق الذرة أكثر من فوتون واحد في نفس الوقت. عندما يحدث هذا، تتأثر دقة الدائرة الضوئية لأن الفوتونات الإضافية تعطل التدفق المنظم المقصود للفوتونات المفردة.

تحويل الضوضاء إلى أداة

وفي الدراسة، اكتشف ماثيو نيلسون، وهو طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء وعلم الفلك، أنه عندما تبعث الذرة فوتونات متعددة، فإن اللون الناتج على طول طيف الطول الموجي وشكل موجة الضوء يتطابقان بشكل وثيق مع تلك التي ينتجها الليزر نفسه. ووفقاً للباحثين، فإن هذا التشابه يجعل من الممكن ضبط مصدري الضوء بحيث يتداخلان مع بعضهما البعض ويلغيان الفوتونات غير المرغوب فيها بشكل فعال.

يقول رافيتيج أوبو، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء وعلم الفلك والمؤلف المقابل للدراسة: “لقد أظهرنا أن تشتت الليزر الشارد، والذي يعتبر عادةً مصدر إزعاج، يمكن تسخيره لإلغاء انبعاث متعدد الفوتونات غير المرغوب فيه”. “هذا الاختراق النظري يمكن أن يحول مشكلة طويلة الأمد إلى أداة جديدة قوية لتطوير تقنيات الكم.”

لماذا يهم الفوتونات المفردة؟

في الحوسبة الضوئية، يتم استخدام الضوء لتنفيذ العمليات بشكل أسرع أو أكثر كفاءة من الأجهزة الإلكترونية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر اليوم البتات – تدفقات من النبضات الكهربائية أو الضوئية التي تمثل الآحاد أو الأصفار. من ناحية أخرى، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات، والتي عادة ما تكون جسيمات دون ذرية، مثل الفوتونات. يعتقد عدد متزايد من الشركات الناشئة أن الأنظمة الضوئية ستكون أساسية للتقدم في هذا المجال الحوسبة الكمومية.

ويعد خط الفوتون الواحد مهمًا لتحقيق هذا التقدم، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنه منظم، ويمكن التحكم فيه، وأسهل في التوسع. فكر في الأمر مثل تجميع طلاب المدارس الابتدائية في صف واحد عبر صف الغداء في الكافتيريا، وليس كمجموعة مختلطة. يقلل هذا الخط الضوئي المرتب أيضًا من فرص اختراق المعلومات أو التنصت عليها، تمامًا مثل المحادثة المشتركة بين طالبين في سطر ملف واحد والتي تقل احتمالية سماعها من قبل المجموعة بأكملها.

هندسة تيار أنقى

يوضح أوبو: “إذا تمكنا من التحكم بدقة في كيفية تسليط شعاع الليزر على الذرة – الزاوية التي يأتي منها، وشكل الشعاع، وما إلى ذلك – يمكننا في الواقع جعله يلغي جميع الفوتونات الإضافية التي ترغب الذرة في إصدارها”. “سوف نترك مع تيار نقي جدًا في الواقع.”

يزيل البحث نظريًا عائقين أمام تسريع الدوائر الضوئية أو المعتمدة على الضوء. إن إزالة هذه العوائق يمكن أن تساعد في الوصول إلى أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر تقدمًا وشبكات اتصالات أكثر أمانًا. والخطوة التالية هي اختبار هذه الأفكار، وهو ما يخطط الباحثون للقيام به قريبًا.

المرجع: “التنقية بمساعدة الضوضاء لمصدر أحادي الفوتون” بقلم رافيتيج أوبو وماثيو د. نيلسون، 24 ديسمبر 2025، البصريات الكمومية.
دوى: 10.1364/OPTICAQ.565878

وقام مكتب وكيل وزارة الدفاع للأبحاث والهندسة، وهو جزء من وزارة الدفاع الأمريكية، بتمويل البحث. حصل الباحثون أيضًا على منحة أولية من مكتب نائب الرئيس للأبحاث بجامعة أيوا، من خلال برنامج P3، الذي ساعد في بدء البحث.

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