الأقفاص الخفيفة المطبوعة ثلاثية الأبعاد قد تحل إحدى أكبر مشكلات الشبكات الكمومية

تستخدم الذاكرة الكمومية الجديدة المبنية على الرقائق “أقفاص الضوء” المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتخزين الضوء في البخار الذري بدقة عالية.

يلعب تخزين المعلومات الكمومية دورًا مركزيًا في تطوير الإنترنت الكمومي وأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. أنظمة الاتصالات الكمومية اليوم مقيدة بفقدان الإشارة عبر مسافات كبيرة، مما يحد من المدى الذي يمكن أن تنتقل به المعلومات الكمومية بشكل موثوق. تساعد الذاكرات الكمومية في مواجهة هذا التحدي من خلال جعل المكررات الكمومية ممكنة، مما يسمح بربط الأجزاء البعيدة من الشبكة من خلال مبادلة التشابك.

وفي دراسة نشرت في الضوء: العلوم والتطبيقاتأعلن باحثون من جامعة هومبولت في برلين، ومعهد لايبنيز للتكنولوجيا الضوئية، وجامعة شتوتغارت عن طريقة جديدة لبناء الذكريات الكمومية. يستخدم نهجهم هياكل ثلاثية الأبعاد مطبوعة بتقنية النانو تُعرف باسم “أقفاص الضوء” المملوءة بالبخار الذري. ومن خلال الجمع بين الضوء والذرات معًا في شريحة واحدة، توفر هذه التقنية منصة قابلة للتطوير وقابلة للتكامل للجيل التالي من الأنظمة الضوئية الكمومية.

تكنولوجيا القفص الخفيف

الأقفاص الضوئية هي نوع من الدليل الموجي المجوف المصمم لتقييد الضوء بإحكام مع السماح بالوصول إلى الداخل من الجوانب. وهذا التصميم يميزها عن الألياف التقليدية المجوفة، والتي يمكن أن تستغرق أشهرًا حتى تمتلئ بالبخار الذري. وعلى النقيض من ذلك، فإن الأقفاص الضوئية المطبوعة بتقنية النانو تمكن ذرات السيزيوم من الانتشار في الهيكل بسرعة أكبر بكثير، مما يقلل أوقات التعبئة إلى بضعة أيام فقط دون التضحية بالحبس البصري القوي.

يقوم الباحثون بإنتاج الهياكل باستخدام الطباعة الحجرية البلمرة ثنائية الفوتون التي يتم تنفيذها على أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد التجارية. تسمح هذه التقنية بتكوين أدلة موجية مجوفة مفصلة للغاية مباشرة على ركائز السيليكون بدقة استثنائية. ولحماية الأجهزة من بخار السيزيوم عالي التفاعل، تمت تغطية موجهات الموجات بطبقة واقية، ولم تظهر الاختبارات أي علامات تدهور حتى بعد خمس سنوات من الاستخدام المتواصل.

وأوضح فريق البحث: “لقد أنشأنا هيكلًا توجيهيًا يسمح بالانتشار السريع للغازات والسوائل داخل قلبها، مع تعدد الاستخدامات وإمكانية التكاثر التي توفرها عملية الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد. وهذا يتيح قابلية التوسع الحقيقية لهذه المنصة، ليس فقط لتصنيع الأدلة الموجية داخل الرقاقة، ولكن أيضًا بين الرقائق، لإنتاج شرائح متعددة بنفس الأداء”.

الأداء كذاكرة الكم

تتيح أقفاص الضوء تحويل نبضات الضوء الموجهة بكفاءة عالية إلى إثارات ذرية جماعية. وبعد فترة تخزين مختارة، يستطيع ليزر التحكم البصري عكس العملية، وإطلاق الضوء المخزن عند الطلب. وفي إنجاز رئيسي، نجح الفريق في تخزين نبضات ضوئية مخففة تحتوي على عدد قليل من الفوتونات فقط لمدة تصل إلى عدة مئات من النانو ثانية. وبالنظر إلى المستقبل، فإن الباحثين متفائلون بشأن توسيع هذه القدرة لتشمل تخزين الفوتونات المفردة لعدة أجزاء من الثانية.

كان الإنجاز الأكثر أهمية للتطبيق في تكنولوجيا الكم القابلة للتطوير هو التكامل الناجح لذكريات القفص الضوئي المتعددة على شريحة واحدة داخل خلية بخار السيزيوم. أظهر الفريق أن أقفاص الضوء المختلفة ذات المعلمات الهندسية المتطابقة تظهر أداء تخزين متطابقًا تقريبًا لجهازين مختلفين على نفس الشريحة.

تنبع إمكانية التكرار هذه من الدقة الاستثنائية لعملية الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد، والتي تحقق اختلافات في البنية داخل الرقاقة أقل من 2 نانومتر واختلافات بين الرقاقات أقل من 15 نانومتر. يعد هذا الاتساق أمرًا بالغ الأهمية لمفهوم تعدد الإرسال المكاني الذي يمكن أن يحدث ثورة في تكامل الذاكرة الكمومية.

التأثير والآفاق المستقبلية

تعالج منصة الذاكرة الكمومية ذات القفص الخفيف التحديات الحاسمة في التقنيات الكمومية. في شبكات المكرر الكمي، يمكن لهذه الذكريات تمكين التزامن المتوازي للفوتون الواحد، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الاتصال الكمي لمسافات طويلة. للفوتونية الحوسبة الكموميةفهي توفر تأخيرات يمكن التحكم فيها ضرورية لعمليات التغذية الأمامية في بنيات الحوسبة الكمومية القائمة على القياس.

يوفر الحجم الصغير وتشغيل النظام في درجة حرارة الغرفة مزايا عملية كبيرة مقارنة بالتقنيات المنافسة التي تتطلب تبريدًا مبردًا أو أنظمة محاصرة ذرية معقدة. تعمل المنصة في درجة حرارة أعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة، وتتفوق في التطبيق العملي مع نطاق ترددي أعلى لكل وضع ذاكرة مقارنة بالطرق البديلة. إن القدرة على تصنيع ذكريات كمومية متعددة على شريحة واحدة ذات خصائص أداء قابلة للتكرار تفتح الباب أمام التكامل الضوئي الكمي واسع النطاق. إن تعدد استخدامات عملية التصنيع، إلى جانب إمكانية اقتران الألياف المباشرة والتكامل مع التقنيات الضوئية الحالية، يضع ذكريات القفص الضوئي كتقنية تمكينية رئيسية للشبكات الكمومية المستقبلية.

يمثل تطوير الذاكرات الكمومية ذات القفص الخفيف خطوة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا الضوئيات الكمومية. ومن خلال الجمع بين تقنيات الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد المتقدمة ومبادئ البصريات الكمومية الأساسية، أنشأ الباحثون منصة قابلة للتطوير يمكنها تسريع تطوير شبكات الاتصالات الكمومية وأنظمة الحوسبة الكمومية.

المرجع: “تخزين الضوء في أقفاص خفيفة: منصة قابلة للتطوير للذكريات الكمومية المتعددة” بقلم إستيبان غوميز لوبيز، دومينيك ريتر، جيسو كيم، هارالد كوبلر، ماركوس أ. شميدت وأوليفر بنسون، 1 يناير 2026، الضوء: العلوم والتطبيقات.
دوى: 10.1038/s41377-025-02085-5

التمويل: مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG)، الوزارة الاتحادية للتعليم والبحث (BMBF)

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