ذرة أرضية نادرة يمكنها صنع مكرر كمي عند الأطوال الموجية للاتصالات – عالم الفيزياء

ذرة أرضية نادرة يمكنها صنع مكرر كمي عند الأطوال الموجية للاتصالات – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 13 سبتمبر 2023 3:24 صباحًا

صورة لجهاز الإربيوم، وهو عبارة عن شريحة رمادية تحتوي على شبكة من الثقوب وقناتين على شكل شريط
متوافق مع الاتصالات: صورة للجهاز المستخدم في التجربة. (بإذن من: لوكاس دوسانوفسكي)

اتخذ الباحثون في جامعة برينستون في الولايات المتحدة خطوة رئيسية نحو إنشاء شبكات كمومية قابلة للتطوير بفضل عنصر أرضي نادر: الإربيوم. يعتبر الإربيوم جيدًا في إصدار وامتصاص الفوتونات عند الأطوال الموجية المستخدمة في صناعة الاتصالات، وهي ميزة لأن هذه الفوتونات يمكنها السفر لمسافات طويلة مع توهين قليل في الألياف الضوئية القياسية. كان تسخير هذه القوة في عالم الكم تحديًا، لكن فريق برينستون تمكن من إقناع جهاز قائم على الإربيوم بإصدار فوتونات متطابقة - وهو شرط أساسي للمكررات الكمومية لمشاركة المعلومات الكمومية عبر مسافات شاسعة.

يقول: "تُستخدم الألياف المشبعة بالإربيوم كمكررات كلاسيكية لصنع مضخمات ألياف كلاسيكية لجميع أنواع وصلات الاتصالات الضوئية، مثل الكابلات البحرية الطويلة المدى". جيف طومسون، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون والمحقق الرئيسي في العمل. "لذا، بالنسبة لي، كان من الطبيعي جدًا أن أحاول التوصل إلى نسخة كمومية من ذلك."

مفيدة، ولكن من الصعب العمل معها

قد تكون الفوتونات حاملة معلومات طبيعية، لكن من الصعب التمسك بها ونادرًا ما تتفاعل مع بعضها البعض. وهذا يعني أنه في حالة فقدان الفوتون أو تحلل المعلومات المشفرة فيه، لا يمكن للفوتونات الأخرى أن تأتي للإنقاذ. بدلًا من ذلك، يجب تخزين المعلومات الكمومية في نوع من الذاكرة، في هذه الحالة، الذرة. "إن المكرر الكمي هو في الواقع مجرد وسيلة لرسم خرائط المعلومات الكمومية ذهابًا وإيابًا بين الضوء والذرات" ، يوضح ذلك إليزابيث جولدشميت، أستاذ البصريات الكمومية بجامعة إلينوي-أوربانا شامبين بالولايات المتحدة والذي لم يشارك في العمل.

في الشبكات الكمومية المبنية على المكررات، تتمثل الفكرة في إنشاء تشابك بين نقطتين بعيدتين عن طريق تقسيم تلك المسافة إلى أجزاء. الطريقة التي يعمل بها هذا الأمر هي أن المكرر الكمي الموجود في أحد طرفي القناة بعيدة المدى يصدر فوتونًا، وفي هذه العملية يتشابك معه. يقوم مكرر آخر على مسافة قصيرة أسفل القناة أيضًا بإصدار فوتون في اتجاه الأول. وعندما يلتقي الفوتونان، يتم قياسهما بطريقة تؤدي إلى تشابكهما. وطالما ظلت الفوتونات متشابكة مع بواعثها، تصبح البواعث أيضًا متشابكة. ومن خلال الاستمرار في هذه العملية أسفل السلسلة، في نهاية المطاف سوف يتشابك الباعثان الموجودان على طرفي القناة المتقابلين. ومن ثم يمكن استخدامها كمفاتيح مشتركة في نظام توزيع المفاتيح الكمومية، أو يمكنهم مشاركة القليل من المعلومات الكمومية عبر بروتوكول النقل الآني الكمي.

كرر من بعدي

تم تطوير تقنيات مكررة كمومية أخرى باستخدام ذرات أو عيوب مختلفة في الماس. ومع ذلك، تُصدر هذه الأنظمة عمومًا فوتونات بترددات شبه مرئية، والتي تضعف بسرعة في الألياف الضوئية. لكي تعمل على النحو الأمثل، فإنها تتطلب تحويل التردد، وهو أمر معقد ويمكن أن يكون مكلفًا. إن المكرر الذي ينبعث تلقائيًا ضوء اللون المطلوب من شأنه أن يبسط العملية إلى حد كبير.

ولجعل ذرة الإربيوم تؤدي وظيفتها كمكرر كمي، هناك أمران رئيسيان يجب أن يسيرا بشكل صحيح. أولاً، تحتاج الذرة إلى إصدار فوتونات بسرعة كافية لجعل المخطط عمليًا. ثانيًا، يجب أن يحافظ الفوتون المنبعث على خصائصه الكمومية، وأن يظل متشابكًا مع الذرة التي أصدرته على الرغم من الاضطرابات، وهي خاصية تُعرف باسم التماسك.

ولسوء الحظ، فإن ذرات الإربيوم الموجودة في الطبيعة لا تبعث فوتونات نطاق الاتصالات إلا نادرًا جدًا. ولتعزيز معدل انبعاث الإربيوم عند اللون المطلوب، وضع الفريق الذرة داخل بلورة، على بعد نانومترات فقط من السطح. فوق هذه البلورة، وضعوا تجويفًا، وهو عبارة عن جهاز من السيليكون النانوي مصمم لاحتجاز الضوء عند الطول الموجي الدقيق الذي ينبعث منه الإربيوم. وبوصول ذرة الإربيوم إلى هذا التجويف، أقنعها الباحثون في جامعة برينستون بإصدار فوتونات اتصالات بمعدل 1000 مرة أكثر مما كانت ستطلقه بطريقة أخرى.

اختر بحكمة

وللحفاظ على التماسك الكمي للفوتونات لفترة كافية لنقل التشابك، كان على طومسون وزملائه اختيار المادة البلورية الخاصة بهم بعناية فائقة. من بين آلاف الاحتمالات الأولية، جربوا حوالي 20 في المختبر قبل أن يستقروا على تنغستات الكالسيوم، مما رفع تماسك الفوتونات المنبعثة عاليًا بما يكفي للمشاركة في التداخل الكمي مع بعضها البعض. يعد هذا التداخل الكمي ضروريًا لمرحلة قياس تشابك الفوتون في بنية المكرر الكمومي.

والخطوة التالية، التي يقول باحثو برينستون إنها في متناول اليد، هي إثبات التشابك بين الفوتونات المنبعثة من ذرات الإربيوم المختلفة. بعد ذلك، يتعلق الأمر بربط المكررات معًا لتشكيل قناة اتصال كمومية. ويعتقد الباحثون أن هذه التكنولوجيا يجب أن تكون سهلة التوسع لأنها تستفيد من صناعة الضوئيات السيليكونية الناضجة. يقول غولدشميت: "أعتقد أن هذا أمر جديد ومهم للغاية". "يمكن للذرات الأرضية النادرة أن تحتفظ بالكثير من التماسك الممتاز الذي تحصل عليه مع الذرات أو الأيونات في الفراغ، في حين أنها قابلة للهندسة بدرجة عالية ومتوافقة مع تكامل الأجهزة، كما هو موضح بوضوح في هذا العمل."

تم وصف البحث في الطبيعة.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء