قامت الفوتونات من مصادر مختلفة بنقل المعلومات الكمومية لأول مرة

فريق من جامعة شتوتغارت (ألمانيا) عن نتيجة طالما اعتبرت عائقًا رئيسيًا أمام الشبكات الكمومية المستقبلية. قام الباحثون لأول مرة بنقل المعلومات الكمومية بين الفوتونات التي تم إنشاؤها بواسطة نقاط كمومية مختلفة من أشباه الموصلات. يزيل هذا الحل أحد القيود الرئيسية في تطوير أجهزة إعادة الإرسال الكمومية، وهي الأجهزة التي يجب أن تضمن نقل الإشارات الكمومية عبر خطوط الألياف الضوئية الموجودة. ونشرت النتائج في اتصالات الطبيعة.

لماذا التواصل الكمي صعب للغاية؟

يعتمد الاتصال الكمي على فوتونات مفردة. يمكن أن يكون استقطابها صفرًا أو واحدًا، وأي تدخل يغير الحالة على الفور، مما يجعل نقل البيانات آمنًا بشكل طبيعي. ومع ذلك، تفقد الفوتونات طاقتها تدريجيًا في الألياف، ولا يمكن نسخ المعلومات الكمومية أو تضخيمها بشكل مباشر.

ولهذا السبب، يحتاج العلماء إلى أجهزة إعادة إرسال لا تعمل على تضخيم الإشارة، بل تستعيدها باستخدام النقل الآني الكمي. يتطلب النقل الآني فوتونات متشابهة قدر الإمكان مع بعضها البعض، والتي كانت تعتبر لعقود من الزمن مهمة شبه مستحيلة إذا كنا نتحدث عن مصادر ضوء مختلفة.

النقاط الكمومية باعتبارها “مصانع فوتون يمكن التخلص منها”

تعاملت مجموعة من شتوتغارت مع المشكلة بشكل مختلف واستخدمت جزر أشباه الموصلات النانومترية – النقاط الكمومية. إنها تعمل كمولدات فوتون مفردة فائقة الدقة يمكن إنتاجها حسب الطلب.

ويقول البروفيسور بيتر ميشلر: “لأول مرة في العالم، تمكنا من نقل المعلومات الكمية بين الفوتونات المنبعثة من نقطتين كميتين مختلفتين”.

تم إنشاء نقاط متطابقة تقريبًا بواسطة متخصصين في معهد لايبنيز لأبحاث الحالة الصلبة والمواد في دريسدن. يوضح المؤلف الأول للعمل، تيم ستروبل، أن النقل الآني بين فوتونات النقاط الكمومية المختلفة قد فشل على وجه التحديد بسبب أدنى التناقضات في خصائصها. ووفقا للعالم، فإن مستويات الطاقة الثابتة داخل هذه النقاط تجعل من الممكن تكوين فوتونات محددة بدقة وتقليل احتمالية الخطأ.

ويضيف: “لقد طور شركاؤنا نقاطًا تختلف اختلافًا طفيفًا فقط”.

كيف سارت التجربة

لإثبات النقل الآني، أنشأت نقطة كمومية فوتونًا واحدًا، بينما أنشأت النقطة الكمومية الثانية زوجًا متشابكًا. مر فوتون واحد من الزوج على طول مقطع طوله عشرة أمتار من الألياف الضوئية والتقى بفوتون واحد. وقد أدى تداخل الموجات – تداخل الموجات – إلى نقل حالة الاستقطاب إلى الفوتون الثاني، الذي بقي في الزوج المتشابك.

تمت إزالة فرق التردد بين الفوتونات باستخدام محولات التردد التي تم تطويرها في جامعة سارلاند. وهذا يضمن عدم القدرة على التمييز بينهما، والذي بدونه يكون النقل الآني مستحيلًا.

يؤكد ميشلر على أن نقل المعلومات بين فوتونات النقاط الكمومية المختلفة يفتح الطريق أمام الشبكات التي يمكن أن تعمل على مسافات طويلة. وبهذه النتيجة، يكمل الفريق الرقم القياسي السابق، عندما تمكنوا من الحفاظ على التشابك على طول امتداد 36 كيلومترًا من الكابلات الضوئية الممتدة عبر شتوتغارت.

يُظهر الإعداد الحالي أن احتمال نجاح النقل الآني يزيد قليلاً عن 70%. ويأمل الباحثون في تحسين هذا الرقم من خلال العمل على استقرار النقاط الكمومية.

يوضح ستروبل: “نريد تحسين النتيجة من خلال تحسين تقنيات تصنيع أشباه الموصلات”.

يصف الدكتور سيمون لوكا بورتالوبي النتيجة بأنها معلم مهم ويؤكد أن الفريق يعمل على تحقيق ذلك منذ سنوات عديدة. وهذا يفتح الطريق ل محمية تماما قنوات الاتصال.

ماذا يعني ذلك من الناحية العملية:

• وستكون الخدمات الحكومية قادرة على نقل البيانات بشكل آمن؛
• ستحصل البنوك على الحماية من التسريبات والهجمات؛
• لا يمكن سرقة البيانات الطبية والشخصية؛
• سوف يصبح التجسس على الشركات شبه مستحيل.

وتقول: “من المثير للاهتمام أن نرى كيف تتخذ التجارب التي تستهدف الأبحاث الأساسية الخطوات الأولى نحو التطبيق العملي”.